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ILÊ MARIA KRAHL

DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL, SUSTENTABILIDADE E EXE RGIA: IDENTIFICAÇÃO DE RELAÇÕES PERTINENTES

E DE INDICADORES BASEADOS EM EXERGIA

Dissertação apresentada ao curso de Mestrado Profissional em Sistemas de Gestão da Universidade Federal Fluminense como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em Sistemas de Gestão, Área de Concentração: Organizações e Estratégia.

Linha de Pesquisa: Meio Ambiente .

Orientador:

Prof o. Dr. Marco Aurélio Cabral Pinto, D. Sc.

Niterói

2009

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ILÊ MARIA KRAHL

DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL, SUSTENTABILIDADE E EXE RGIA: IDENTIFICAÇÃO DE RELAÇÕES PERTINENTES

E DE INDICADORES BASEADOS EM EXERGIA

Dissertação apresentada ao curso de Mestrado Profissional em Sistemas de Gestão

da Universidade Federal Fluminense como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em Sistemas de Gestão, Área de Concentração: Organizações e Estratégia .

Linha de Pesquisa: Meio Ambiente .

Aprovado em 25 de março de 2009.

BANCA EXAMINADORA

____________________________________________________ Prof o. Dr. Marco Aurélio Cabral Pinto, D. Sc.

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE – UFF

______________________________________________________ Prof o. Dr. Fernando Toledo Ferraz, D. Sc.

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE – UFF

________________________________________________________ Prof o. Dr. Márcio Macedo da Costa, D. Sc.

BANCO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E SOCIA L – BNDES

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DEDICATÓRIAS

Para DEUS, Senhor da vida, que nos concedeu a vida e nos proveu de tudo.

Para JESUS, Deus Vivo, a quem incontáveis vezes invoquei em minha fraqueza.

Para minha mãe, VALESCA , In Memoriam , que me ensinou sobre amor e luz.

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AGRADECIMENTOS A DEUS, pela força necessária para enfrentar todas as dificuldades encontradas ao longo do meu caminho. A Dra. Cândida Regina Machado da Costa, por seu cuidado intensivo e incentivo constante. A PETROBRAS, por patrocinar este trabalho. Ao Prof. Marco Aurélio Cabral Pinto, por sua orientação acolhedora e objetiva. A Maria Augusta Carneiro Ribeiro, Ouvidora da Petrobras, por todas as suas ações em prol de me reintegrar ao trabalho profissional na Companhia. A Heitor Cordeiro Chagas de Oliveira, da PESA RH, pelo acolhimento no RH da Petrobras. A Walter Brito e Humberto Matrangolo, pelo acolhimento na UP ECTAB e por terem propiciado condições para execução deste trabalho. Ao colega Helton Luiz Santana Oliveira do RH UP ET, por sua intervenção junto à UFF para reativar minha participação neste mestrado. Ao Profo. Osvaldo Luiz Gonçalves Quelhas e ao LATEC/UFF, pelo apoio para realização desta segunda fase do mestrado. Aos meus colegas do RH UP ECTAB, pelo acolhimento e convivência em todos os momentos de minha readaptação profissional. Ao colega Ricardo Pinto, pelo incentivo, pela leitura do texto e pelas excelentes sugestões. Ao colega Paulo Camargo, pela gentileza da formatação do trabalho. Aos colegas Marcio Humberto, Bernardo e Marcio Moreira, pelo incentivo constante. Ao colega João Batista Félix da Silva, pela paciência com o apoio nas encadernações. As bibliotecárias do RH UP e dos SERVIÇOS COMPARTILHADOS, por sua ajuda com a revisão bibliográfica.

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SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS................................... ........................................................... viii LISTA DE QUADROS................................... ......................................................... ix LISTA DE SÍMBOLOS, SIGLAS E ABREVIATURAS........... ............................... x LISTA DE ANEXOS.................................... ........................................................... xiii RESUMO................................................................................................................ xiv ABSTRACT........................................... ................................................................. xv

INTRODUÇÃO....................................................................................................... 1

CAPÍTULO I : O PROBLEMA E O MÉTODO................. ...................................... 4

I.1 Contextualização do tema....................... ....................................................... 4 I.2 Identificação do problema...................... ........................................................ 6 I.3 Objetivos...................................... .................................................................... 8 I.4 Justificativa e relevância..................... ........................................................... 8 I.5 Metodologia e delimitação do trabalho.......... ............................................... 9 I.6 Estrutura da dissertação....................... ......................................................... 13

CAPÍTULO II : PRIMEIRO REFERENCIAL TEÓRICO – FUNDAMENTOS DE GESTÃO................................................................................................................

14

II.1 Gestão ambiental.............................. ............................................................. 14 II.1.1 Meio Ambiente e gestão ambiental............................................................... 14 II.1.2 Gestão ambiental global e regional............................................................... 17 II.1.3 Gestão ambiental nacional e local................................................................ 18 II.1.4 Políticas públicas ambientais........................................................................ 19 II.1.5 Gestão ambiental empresarial...................................................................... 20 II.1.6 Sistemas de gestão ambiental...................................................................... 23 II.1.7 Gestão ambiental, desenvolvimento sustentável e sustentabilidade............ 25 II.2 Indicadores................................... .................................................................. 28 II.2.1 Indicadores como instrumentos de gestão................................................... 28 II.2.2 Conceitos sobre indicadores......................................................................... 32 II.2.3 Indicadores ambientais................................................................................. 34 II.2.4 Indicadores de desenvolvimento sustentável e de sustentabilidade............ 37 II.2.4.1 Indicadores gerais de desenvolvimento sustentável.................................. 38 II.2.4.2 Indicadores de sustentabilidade empresarial............................................. 45

CAPÍTULO III : SEGUNDO REFERENCIAL TEÓRICO – FUNDAM ENTOS DE TERMODINÂMICA...................................... ...........................................................

48

III.1 Energia...................................... ..................................................................... 48 III.2 Eficiências energéticas...................... .......................................................... 51 III.3 Termodinâmica................................ .............................................................. 54 III.3.1 Conceitos básicos........................................................................................ 54 III.3.2 A Lei Zero da termodinâmica....................................................................... 58 III.3.3 A Primeira Lei da termodinâmica................................................................. 58

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SUMÁRIO

CAPÍTULO III : SEGUNDO REFERENCIAL TEÓRICO – FUNDAM ENTOS DE TERMODINÂMICA (Cont.).............................. ......................................................

48

III.3 Termodinâmica (Cont.)........................ ......................................................... 54 III.3.4 A Segunda Lei da termodinâmica................................................................ 62 III.3.5 Entropia e geração de entropia.................................................................... 66 III.4 Balanços em volume de controle............... ................................................. 71 III.4.1 Balanço de massa em volume de controle.................................................. 71 III.4.2 Balanço de energia em volume de controle................................................. 71 III.4.3 Balanço de entropia em volume de controle................................................ 72 III.4.4 Volumes de controle em estado permanente.............................................. 72 III.5 Exergia...................................... ..................................................................... 73 III.5.1 Definindo exergia......................................................................................... 73 III.5.2 Ambiente e estados mortos......................................................................... 75 III.5.3 Componentes da exergia............................................................................. 76 III.5.4 Exergia física................................................................................................ 78 III.5.5 Balanço de exergia...................................................................................... 78 III.5.5.1 Balanço de exergia para sistema fechado................................................ 79 III.5.5.2 Balanço de exergia em volume de controle.............................................. 81 III.5.6 Exergia química........................................................................................... 85 III.5.6.1 Exergia química padrão............................................................................ 85 III.6 Energia versus exergia........................................... ...................................... 86 III.7 Eficiências exergéticas...................... ........................................................... 87 III.8 Análise exergética........................... .............................................................. 90

CAPÍTULO IV : DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL, SUSTENTABILIDADE E EXERGIA......................... .............................................

93

IV.1 Meio ambiente, energia e exergia.............. ................................................. 93 IV.1.1 A questão ambiental e o desenvolvimento sustentável............................... 93 IV.1.2 Conservação de energia.............................................................................. 97 IV.1.3 Eficiência Energética................................................................................... 100 IV.1.4 Conservação de exergia.............................................................................. 102 IV.2 Desenvolvimento sustentável e sustentabilidade : o debate e as ambigüidades....................................... ................................................................

106

IV.3 Exergia, meio ambiente e desenvolvimento suste ntável......................... 117 IV.4 Desenvolvimento sustentável, sustentabilidade e exergia: A organização do debate entre 1995 e 2008............ .............................................

123

IV.5 Desenvolvimento sustentável, sustentabilidade e exergia: Conclusões sobre a organização do debate...................... .....................................................

149

IV.5.1 Áreas de trabalho........................................................................................ 149 IV.5.2 Enfoque dado à sustentabilidade e à gestão............................................... 153 IV.6 Indicadores exergéticos de desenvolvimento sus tentável e de sustentabilidade................................... ................................................................

156

IV.6.1 Indicadores gerais....................................................................................... 156

vii

SUMÁRIO

CAPÍTULO IV : DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL, SUSTENTABILIDADE E EXERGIA (Cont.)................. .........................................

93

IV.6 Indicadores exergéticos de desenvolvimento sus tentável e de sustentabilidade (Cont.)........................... ...........................................................

156

IV.6.2 Indicadores com aplicação em gestão ambiental........................................ 158 IV.6.3 Exemplo ilustrativo: Indicadores de sustentabilidade ambiental baseados em exergia – Dewulf & Langenhove (2005)...........................................................

158

IV.7 Desenvolvimento sustentável, sustentabilidade e exergia: Análise da literatura publicada entre 1995 e 2008............. ..................................................

163

IV.8 Conclusões.................................... ................................................................ 178

CONSIDERAÇÕES FINAIS............................... .................................................... 181 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................... ............................................. 185 ANEXO................................................................................................................... 198

viii

LISTA DE FIGURAS CAPÍTULO I Figura I.1 – Publicações em exergia por ano..................... ............................... 7

CAPÍTULO II Figura II.1 – Dimensões da gestão ambiental........ ........................................... 16 Figura II.2 – Gestão ambiental empresarial – Influê ncias................................ 21 Figura II.3 – Prevenção da poluição – Prioridades.. ......................................... 22 Figura II.4 – Indicadores para a sustentabilidade e mpresarial........................ 26 Figura II.5 – Equilíbrio dinâmico da sustentabilida de...................................... 27 Figura II.6 – Pirâmede de informações.............. ................................................ 35

CAPÍTULO III Figura III.1 – Processos de conversão energética... ......................................... 51 Figura III.2 – Sistema energético generalizado..... ............................................ 52 Figura III.3 – Volume de controle em regime permane nte com uma entrada e uma saída........................................ ...................................................................

83

Figura III.4 – Sistema energético generalizado, con siderando os fluxos de exergia............................................ .......................................................................

89

CAPÍTULO IV Figura VI.1 – Caracterização do uso total de energi a como uma função da intensidade do uso e da freqüência da atividade.... .........................................

99

Figura VI.2 – Os potenciais de eficiência energétic a........................................ 101 Figura IV.3 – Triangulo interdisciplinar coberto pe lo campo da análise exergética......................................... .....................................................................

121

Figura IV.4 – Ilustração qualitativa da relação ent re impacto ambiental e sustentabilidade de um processo e sua eficiência ex ergética........................

122

Figura VI.5 – Trocas de massa e energia, perdas e t ransformações no eco-sistema devido à implementação de um processo de pr odução (cadeia).....

160

ix

LISTA DE QUADROS CAPÍTULO II Quadro II.1 – Instrumentos de política pública ambi ental – Classificação e exemplos........................................... ....................................................................

20

Quadro II.2 – Principais critérios para geração de um indicador.................... 29 Quadro II.3 – Tipos-chave de indicadores........... .............................................. 30 Quadro II.4 – Fases da gestão de indicadores....... ........................................... 31 Quadro II.5 – Dimensão ambiental dos indicadores de desenvolvimento sustentável do IBGE................................ ............................................................

40

Quadro II.6 – Dimensão social dos indicadores de de senvolvimento sustentável do IBGE................................ ............................................................

41

Quadro II.7 – Dimensão econômica dos indicadores de desenvolvimento sustentável do IBGE................................ ............................................................

41

Quadro II.8 – Dimensão institucional dos indicadore s de desenvolvimento sustentável do IBGE................................ ............................................................

42

Quadro II.9 – Indicadores de fluxo e estoque do Dashboard of Sustainability..................................... ...................................................................

44

CAPÍTULO III Quadro III.1 – Comparação entre energia e exergia . ....................................... 87 Quadro III.2 – Eficiências energéticas e exergética s........................................ 90

CAPÍTULO IV Quadro IV.1 – Desenvolvimento sustentável, sustenta bilidade e exergia: Análise da literatura publicada entre 1995 e 2008. ..........................................

164

x

LISTA DE SÍMBOLOS, SIGLAS E ABREVIATURAS

Símbolos m massa v velocidade t tempo W trabalho g aceleração da gravidade z altura no campo gravitacional E energia total EC energia cinética EP energia potencial d diferencial de uma propriedade T temperatura X propriedade extensiva Xi propriedade extensiva do sistema i n número de moles M peso molecular V volume

V volume molar p pressão

U energia interna u energia interna específica

u energia interna molar H entalpia h entalpia específica

.

W potência Q calor E exergia E exergia total, exergia física e exergia total específica

DE exergia destruída

DE.

taxa temporal de destruição de exergia S entropia

s entropia molar .

m fluxo mássico

xi

LISTA DE SÍMBOLOS, SIGLAS E ABREVIATURAS Letras gregas η desempenho ou eficiência energética ou térmica ε rendimento exergético ∆ diferença ∂ diferencial de uma não propriedade ψ função

∑ somatório

∫ integral

∫ integral cíclica

Subscritos b fronteira de troca de calor i i-ésimo elemento de uma série j j-ésimo elemento de uma série e entrada s saída D destruição o denota a propriedade do estado morto restrito A absorvido R rejeitado q calor W trabalho T total VCvolume de controle H fonte quente (Hot) C fonte fria (Cold) Superescritos FIS exergia física CIN exergia cinética POT exergia potencial QUI exergia química e denota ambiente (environment)

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LISTA DE SÍMBOLOS, SIGLAS E ABREVIATURAS Siglas e Abreviaturas BID – Banco Interamericano de Desenvolvimento BSI – British Standard Institution CDS – Comissão para o Desenvolvimento Sustentável CEBDS – Conselho Empresarial Brasileiro para o Desenvolvimento Sustentável CGSDI – Consultive Group on Sustainable Development Indices CMMAD / CMMD – Comissão Mundial para o Meio Ambiente e Desenvolvimento CNUMAD – Conferência das Nações Unidas para o Meio ambiente e Desenvolvimento COP – Coeficiente de performance ECO-92 – Conferência das Nações Unidas sobre o Meio ambiente e Desenvolvimento EMAS – Eco-Management and Audit Scheme EOLSS – Encyclopedia of Life Support Systems EPA – Environmental Protection Agency FAO – Food and Agriculture Organization of the United Nations FBDS – Fundação Brasileira para o Desenvolvimento Sustentável FPNQ – Fundação para o Prêmio Nacional da Qualidade GRI – Global Reporting Initiative IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística ICC – International Chamber of Commerce IDH – Índice de Desenvolvimento Humano INEP/MEC – Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais Anísio Teixeira / Ministério de Educação e Cultura ISA – Índice de Sustentabilidade Ambiental ISO – International Organization for Standardization IUCN – International Union for the Conservation of Nature MERCOSUL – Mercado Comum do Sul NAFTA – North American Free Trade Agreement ONU – Organização das Nações Unidas OECD – Organization for Economic Co-operation and Development ONG – Organização Não Governamental PIB – Produto Interno Bruto PDCA – Plan; Do; Check; Act PNUMA – Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente SGA – Sistema de Gestão Ambiental TQEM – Total Quality Environmental Management UNEP – United Nations Environmental Program UN – United Nations UNDP – United Nations Development Program UNCSD – United Nations Commission on Sustainable Development WBSCD – World Business Council for Sustainable Development WCED – World Comission on Environment and Development WWF – World Life Fund

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LISTA DE ANEXOS

Anexo 1 – Folhas de rosto das revisões bibliográficas realiza das em 09.02.2009 na base ScienceDirect ..........................................................

198

xiv

RESUMO O presente trabalho foi desenvolvido sob perspectiva ambiental, tendo-se em vista conceitos de desenvolvimento sustentável, sustentabilidade e exergia e sua aplicação às questões atuais que envolvem o meio ambiente global. A motivação para o presente trabalho foi a ampliação da busca de conhecimento acerca da propriedade exergia, mas, principalmente, acerca da aplicação deste conceito em campos de interesse ambiental, diversos do campo puramente técnico da análise de engenharia. Foi considerado promissor conhecer o potencial da base de dados bibliográfica ScienceDirect, disponível on line na Petrobras e desenvolver abordagem revisional sobre o debate atual em torno dos temas desenvolvimento sustentável, sustentabilidade e exergia, mesmo que preliminar. Esta abordagem será qualificada para adentrar o campo e poderá vir a ser de interesse de outros pesquisadores em geral. Foi estabelecido como objetivo para o trabalho a identificação de relações qualitativas ou quantitativas entre exergia e desenvolvimento sustentável e/ou exergia e sustentabilidade. Mais precisamente buscou-se identificar indicadores baseados em exergia e postulados para acompanhamento ou mensuração do desenvolvimento sustentável ou da sustentabilidade. Adicionalmente, buscou-se identificar conexões das metodologias baseadas em exergia com gestão, principalmente com gestão ambiental. A análise da literatura indicou que existe relação qualitativa entre exergia e desenvolvimento sustentável e entre exergia e sustentabilidade de processos e/ou sistemas. Esta relação, embora alvo de debates, não foi ainda quantitativamente especificada. Observou-se, ainda com base na literatura revisada, que existe relação entre exergia e gestão, sendo vários os indicadores propostos que usam exergia como base para a mensuração da sustentabilidade de processos e/ou sistemas. Em particular, verificou-se que existe relação entre exergia e gestão ambiental. Palavras chave: desenvolvimento sustentável, sustentabilidade e exergia.

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ABSTRACT The present work was developed under the environmental perspective and it was focused on the concepts of sustainable development, sustainability and exergy and the use of these concepts in actual issues related to global environment. The motivation for this work was not only an effort to enlarge the knowledge about exergy property but mainly about its application in environmental areas of interest, which differs from the purely technical area of engineering analysis. Being aware of the potential of the Science Direct bibliographic database, which can be found online at Petrobras, was considered promising. It was also considered promising to count on a revisionist approach about the actual debate around sustainable development, sustainability and exergy, even if it is preliminary. This approach will enable a future deeper research in this area and it may attract other researchers´ interest. It was considered as the main objective of the work to identify qualitative relations or quantitative relations between exergy and sustainable development and/or exergy and sustainability. More precisely, it was important to identify indicators based on exergy and postulated to observe or measure the sustainable development or the sustainability. Moreover, a connection between the methodologies based on exergy with management, mainly with environmental management was tried to be identified. One can conclude, based on the literature reviewed, that there is a qualitative relation between exergy and sustainable development and between exergy and sustainability of processes and/or systems. Although this relation is a subject of discussions, it has not been quantitatively specified yet. In addition, it was observed that there is a relation between exergy and management, especially between exergy and environmental management, with several proposed indicators that use exergy as the base for the measurement of sustainability of processes and/or systems. Key-words: sustainable development, sustainability and exergy.

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INTRODUÇÃO O presente trabalho foi desenvolvido sob perspectiva ambiental, tendo-se em vista conceitos de desenvolvimento sustentável, sustentabilidade e exergia, e sua aplicação às questões atuais que envolvem o meio ambiente global. O conceito de desenvolvimento sustentável tem ocupado atenção significativa das comunidades acadêmicas, industriais, regulatórias, governamentais e de consumidores. O Relatório Brundtland e a ECO 92 (Rio de Janeiro, 1992) tiveram o mérito de realçar a interdependência de aspectos sociais, econômicos e ambientais, indicando o desenvolvimento sustentável como a solução para fomentar o progresso sócio-econômico, enquanto protege o meio ambiente de suporte à vida. A Comissão Brundtland ofereceu a definição popular de desenvolvimento sustentável como “desenvolvimento que atende às necessidades do presente sem comprometer a possibilidade de as gerações futuras atenderem a suas próprias necessidades” (CMMAD, 1988). A Eco 92 propagou o desenvolvimento sustentável como a chave para integrar as principais dimensões do desenvolvimento – social, econômica e ambiental – no planejamento e na elaboração de políticas. Em conseqüência, desenvolvimento sustentável, atuação responsável, gestão ambiental, e responsabilidade social deixaram de ser atividades meramente pedantes para se tornar aspectos estratégicos sérios em quase todas as indústrias. Investidores institucionais também têm adotado diversas medidas internas e externas para determinar os riscos associados com empréstimos a indústrias perigosas tais como plantas de potência, refinarias e plantas químicas. Em resposta, as corporações enfatizaram a sustentabilidade em processos de gestão interna. O uso mundial de energia aumentou enormemente ao longo do último século. Isto é resultado da crescente população mundial multiplicada pelo uso de energia crescente por pessoa. O papel do consumo de energia na sustentabilidade e no desenvolvimento sustentável é central. O papel do setor de energia nas dimensões social, econômica e ambiental é crucial para o desenvolvimento de um país. Recursos energéticos e sua utilização estão intimamente relacionados com desenvolvimento sustentável. Para atingir o desenvolvimento sustentável, o aumento das eficiências energéticas dos processos desempenha um papel central. Conceitos e métodos de análise termodinâmicos (energia e exergia) tem sido utilizados em uma variedade de disciplinas com interesse em sustentabilidade ambiental, incluindo ecologia, economia e engenharia.

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A exergia tem sido vista como um componente chave para uma sociedade sustentável, e nos últimos anos a análise exergética tem sido amplamente utilizada no design, simulação e avaliação da performance de sistemas térmicos e termoquímicos. A exergia (ou energia disponível) é uma propriedade termodinâmica de um sistema que tem sido amplamente utilizada por engenheiros para estudar e melhorar a eficiência de processos térmicos e químicos. O termo foi cunhado em meados dos anos 50 por Z. Rant. Ao longo dos últimos anos, exergia também ganhou popularidade entre engenheiros e ecologistas para o estudo de sistemas humanos complexos tais como sociedades e setores econômicos. Exergia é definida como o máximo trabalho que pode ser extraído de um sistema quando este sistema se move em direção ao equilíbrio termodinâmico com um estado de referência. Deste modo, a exergia de uma forma de energia é um tipo de energia livre de entropia que pode ser percebida como uma medida de sua utilidade ou qualidade ou potencial para causar mudança. Exergia, em contraste com energia, não está sujeita à lei da conservação, exceto para processos reversíveis ou ideais, mas é preferivelmente consumida ou destruída devido às irreversibilidades, inevitáveis dentro de qualquer processo real. De fato, o conceito de exergia deriva de uma combinação das duas primeiras leis da termodinâmica desde que é uma medida da quantidade (Primeira Lei) e da qualidade (Segunda Lei) de diferentes fontes de energia. A contabilização da exergia é uma metodologia útil que pode prover discernimento sobre o metabolismo de um sistema (materiais, energia e em alguns casos trabalho e capital) e sobre o efeito do sistema no meio ambiente usando um denominador comum. A exergia pode então exercer um papel significativo para o desenvolvimento de políticas em planejamento energético e desenvolvimento sustentável já que ela:

• pode endereçar o impacto da utilização de energia no meio ambiente; • é ideal para o design e análise de sistemas energéticos já que sua

metodologia combina a conservação da massa e energia com a Segunda Lei da Termodinâmica;

• quantifica perdas de energia e energia residual de modo que pode prover informações importantes para o uso mais eficiente de recursos.

Central à análise exergética está o conceito de eficiência exergética. De modo geral, um aumento na eficiência exergética de um processo e/ou sistema implica uma queda do impacto ambiental (conversão de exergia com menos perdas) e um aumento na sustentabilidade (o processo se aproxima da reversibilidade) do processo e/ou sistema. Os objetivos gerais deste estudo foram: (i)identificar relações qualitativas ou quantitativas entre exergia e desenvolvimento sustentável e/ou entre exergia e sustentabilidade e (ii) identificar indicadores baseados em exergia e postulados

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para acompanhamento ou mensuração da sustentabilidade de processos e sistemas. O objetivo específico do estudo foi identificar conexões das metodologias baseadas em exergia com gestão, principalmente com gestão ambiental. Para atingir esses objetivos, foi utilizada uma metodologia exploratória realizando um survey da literatura, utilizando como palavras-chave exergia, sustentabilidade e desenvolvimento sustentável (em inglês: exergy, sustainability, sustainable development). Para a realização do survey foi utilizada a base de dados ScienceDirect da Elsevier, disponibilizada on line pela Petrobras. Como conclusão principal foi identificado na literatura que o debate evidencia a proposição de que existe uma relação direta da sustentabilidade com a eficiência exergética de processos e/ou sistemas, que ainda é qualitativa, ou seja, proposta mas não especificada de forma quantitativa. Adicionalmente, foram identificados vários indicadores propostos e postulados para o acompanhamento ou mensuração da sustentabilidade de processos e/ou sistemas, que foram enumerados. Foram também identificadas conexões das metodologias baseadas em exergia e propostas para a mensuração da sustentabilidade de processos e/ou sistemas com gestão, e, em particular, com gestão ambiental. A análise exergética, através de diversas metodologias, tem sido utilizada para mensurar sustentabilidade de processos e/ou sistemas e é proposta como ferramenta de auxílio à decisão.

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I. O PROBLEMA E O MÉTODO I.1 Contextualização do tema Na década de 70 a relação entre energia e economia era central. Nessa época, o vínculo entre energia e o meio ambiente não era foco de atenção. Foi na década de 80 que o vínculo entre utilização de energia e o meio ambiente foi reconhecido, à medida que os problemas ambientais, tais como chuva ácida, depleção de ozônio e mudança climática global se tornaram proeminentes (DINCER & ROSEN, 2007). A produção, transformação, transporte e uso de energia impactam o meio ambiente. Os impactos ambientais estão associados com emissões térmicas, químicas e nucleares, e são uma conseqüência necessária de processos que beneficiam a humanidade (DINCER & ROSEN, 2007). A natureza não sustentável das atividades humanas levou à formulação do conceito de desenvolvimento sustentável e a esforços em prol do desenvolvimento de métodos para realizá-lo (DINCER & ROSEN, 2007). A realização do desenvolvimento sustentável envolve o uso de recursos, particularmente de recursos energéticos. Atingir o desenvolvimento sustentável requer que recursos energéticos sustentáveis sejam utilizados, e que esta utilização seja eficiente (DINCER & ROSEN, 2007). Porém, além da energia, outros fatores contribuem para alcançar o desenvolvimento sustentável. Por exemplo, para que o desenvolvimento seja sustentável (DINCER & ROSEN, 2007):

• ele precisa satisfazer as necessidades e aspirações da sociedade; • ele precisa ser ambiental e ecologicamente benigno; • suficientes recursos (naturais e humanos) devem estar disponíveis.

O segundo ponto reforça a importância de aspectos ambientais no desenvolvimento sustentável. Claramente, atividades que continuamente degradam o meio ambiente não são sustentáveis ao longo do tempo, enquanto aquelas que têm pequeno ou nenhum impacto sobre o meio ambiente são mais propensas a contribuir para o desenvolvimento sustentável (DINCER & ROSEN, 2007). Métodos exergéticos são importantes já que são úteis para aumentar a eficiência. As relações entre exergia e energia e entre exergia e meio ambiente tornam claro que exergia está diretamente relacionada com desenvolvimento sustentável (DINCER & ROSEN, 2007). Exergia é um conceito físico que quantifica a utilidade ou valor da energia, material e informação em uma medida que é ao mesmo tempo descritiva e útil. O conteúdo exergético está provavelmente correlacionado mais fortemente

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com dano ambiental do que a massa. A associação da exergia com valor e potencial de dano sugere que a exergia apresenta um grande potencial como indicador ecológico (GONG & WALL, 2001). Muitos pesquisadores sugerem que a mitigação do impacto ambiental resultante da utilização de recursos energéticos e o alcance de eficiências de utilização de recursos aumentadas são melhor consideradas pelo uso de exergia (DINCER & ROSEN, 2007). Desde que o impacto ambiental e a melhoria das eficiências são tópicos críticos no alcance do desenvolvimento sustentável, a exergia também aparece para prover a base para o desenvolvimento de metodologias que incluem a sustentabilidade (DINCER & ROSEN, 2007). A exergia de uma forma de energia ou de uma substância é uma medida da sua utilidade ou qualidade ou potencial para causar mudança. Isto sugere que a exergia pode ser ou prover a base para uma medida efetiva do potencial de uma substância ou forma de energia em impactar o meio ambiente (DINCER & ROSEN, 2007). O uso de uma clara definição de ‘sustentável’, e uma medida não ambígua como exergia em combinação com diagramas de fluxo de exergia exibindo inputs e outputs constituiria um grande avanço sobre as práticas correntes (GONG & WALL, 2001). Dincer (2002) relatou os vínculos existentes entre energia e exergia, exergia e meio ambiente e energia e desenvolvimento sustentável. Ele enumerou os seguintes pontos chave para ressaltar a importância da exergia e de sua utilização:

(a) a exergia é um instrumento primário para melhor endereçar o impacto da utilização de recursos energéticos no meio ambiente;

(b) exergia é um método efetivo que utiliza os princípios de conservação da massa e da energia conjuntamente com a Segunda Lei da termodinâmica para o design e análise de sistemas energéticos;

(c) exergia é uma técnica apropriada para perseguir a meta de uso mais eficiente de recursos de energia, já que permite determinar a localização, tipos e verdadeiras magnitudes de resíduos e perdas;

(d) exergia é uma técnica eficiente em revelar se é ou não possível, e por quanto, projetar sistemas energéticos mais eficientes através da redução das ineficiências nos sistemas existentes;

(e) exergia é um componente chave para obter o desenvolvimento sustentável;

(f) exergia tem um papel crucial em atividades de formulação de políticas. Estas assertivas de Gong & Wall, Dincer e Dincer & Rosen fazem parte de um debate acadêmico em que a relação entre exergia e desenvolvimento sustentável e/ou entre exergia e sustentabilidade é o foco central.

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Este trabalho centra-se nesse foco, ou seja, nas relações entre exergia e desenvolvimento sustentável e/ou entre exergia e sustentabilidade. É bem sabido que se tem feito amplamente uso de indicadores de desenvolvimento sustentável (AMARAL, 2003; MARTINS, 2006). Vários conceitos estão relacionados à formulação, seleção e uso de tais indicadores. O propósito da maioria dos indicadores é indicar se um desenvolvimento está próximo ou afastado da sustentabilidade (GONG & WALL, 2001). Com o objetivo de sedimentar as possíveis relações entre exergia e desenvolvimento sustentável e/ou exergia e sustentabilidade é plausível verificar a existência de proposições e formulações, conceituais ou operacionais, de indicadores para desenvolvimento sustentável e /ou sustentabilidade baseados em exergia. Esta é a base do presente tema de estudo. I.2 Identificação do problema Após as crises mundiais do petróleo de 1973 e 1979, houve uma busca por parte da comunidade técnica internacional em duas vertentes principais: a primeira, encontrar outras fontes de energia em substituição aos combustíveis fósseis, e a segunda, a melhor utilização da energia consumida, e que ficou popularmente conhecida por conservação de energia. Nas décadas de 70 e 80, a conservação de energia no mundo passou a ser a principal meta a ser alcançada. Houve um ganho significativo nos índices energéticos, particularmente no setor industrial. Neste mesmo período, a análise exergética começava a ser estudada e discutida nos principais centros de referência internacionais (TORRES, 2001). Alguns autores citam trabalhos de revisão bibliográfica sobre exergia originados do interesse em acompanhar a evolução da aplicação do conceito a novas áreas de pesquisa. Torres (2001) cita trabalhos enfocando a análise exergética e alguns novos métodos de sua aplicação: Tribus e Evans, 1962; Gaggioli, 1963; Haywood,1974; Kotas, 1985; Szargut, 1988; e El-Sayed e Gaggioli,1989. Costa (2002) faz um breve resumo acerca da abrangência da aplicação da análise exergética:

“- Até hoje a utilização mais profícua e extensiva da análise exergética se deu nos estudos e projetos de otimização de sistemas térmicos, principalmente para equipamentos industriais (Gyftopoulos et al., 1974; van Gool,1992; Valero et al., 1996); - Uma outra vertente de autores da área aplicou o método de contabilidade exergética para fluxos energéticos e materiais das

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economias nacionais (Wall, 1990; Schaeffer e Wirtshafter, 1992; Wall et al., 1994); - Trabalhos que, a partir do método de consumo exergético cumulativo (Szargut, 1987), realizam Análises do Ciclo de Vida com base na contabilidade exergética dos fluxos de energia e materiais, incluindo poluentes (Bísio, 1993; Ayres et al., 1996; Michaelis et al., 1998; Costa et al., 2001);” (COSTA, 2002, p. 6).

Wall (2008) mantém na internet uma página permanente referente a estudos avançados utilizando exergia. Na página, é apresentada uma base de referências bibliográficas referentes ao conceito de exergia e sua aplicação. Esta base contém cerca de duas mil (2000) publicações, a maioria das quais são referências diretas ao conceito de exergia, publicadas em torno de 1992. Wall situa o objetivo desta bibliografia como sendo o de configurar uma base de dados em exergia, visando, além disso, ser subsídio para aqueles estudiosos que trabalham com o conceito de exergia ou que desejam penetrar o campo (WALL, 2008). Wall (2008) cita outras bibliografias de interesse: Wepfer, 1979, que cobre quatrocentas e quatro (404) publicações européias disponíveis antes de 1977; Fratzcher & Beyer, 1981: duzentas e noventa e seis (296) publicações; e Liu & Wepfer, 1983: trezentas e cinqüenta e seis (356) publicações, principalmente após 1977. Apresenta ainda um gráfico ilustrando o número de publicações anuais durante o período de 1940 a 1992, reproduzido na Figura I.1 abaixo (WALL, 2008).

Figura I.1 – Publicações em exergia por ano (Fonte: Wall (2008))

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Desse modo, o interesse pelo assunto não é novo e a técnica da revisão bibliográfica já foi extensivamente aplicada. Portanto, foi considerado promissor conhecer o potencial da base de dados bibliográfica ScienceDirect, disponível on line na Petrobras e contar com uma abordagem revisional sobre o debate atual em torno de exergia, desenvolvimento sustentável e sustentabilidade, visando identificar se existem relações qualitativas ou quantitativas entre esses temas. Esta abordagem será qualificada para adentrar o campo e poderá vir a ser de interesse de outros pesquisadores em geral. I.3 Objetivos Foram estabelecidos os seguintes objetivos para o estudo: Objetivos gerais: Identificar relações qualitativas ou quantitativas entre exergia e desenvolvimento sustentável e/ou entre exergia e sustentabilidade. Identificar indicadores baseados em exergia e postulados para acompanhamento ou mensuração do desenvolvimento sustentável ou da sustentabilidade. Objetivo específico: Identificar conexões das metodologias baseadas em exergia com gestão, principalmente com gestão ambiental. I.4 Justificativa e relevância A exergia é o mais geral dos potenciais termodinâmicos (EVANS, 1969 apud COSTA, 2002) e pode ser usada para contabilizar, com base em uma única medida, os vetores energéticos, insumos materiais, produtos e poluentes (WALL, 1977; SZARGUT et al.,1988 apud COSTA, 2002). O desenvolvimento de sistemas térmicos que utilizem eficientemente energia como óleo combustível, gás natural e carvão é evidente. O uso eficiente desses insumos é determinado através da Primeira e da Segunda Lei da Termodinâmica. A energia entrando em um sistema térmico com calor, eletricidade, fluxos mássicos, etc. é computada nos produtos e subprodutos do sistema. A primeira lei estabelece que a energia não pode ser destruída, porém, para o projeto e análise de sistemas térmicos, a idéia de que algo pode ser destruído é útil. A idéia de degradação não se aplica à energia mas à

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exergia, um conceito derivado da Segunda Lei da termodinâmica (KOTAS,1985). O método da análise de exergia é útil para atingir o objetivo do uso mais eficiente dos recursos energéticos, já que ele determina a localização, causa e real magnitude das perdas. Esta informação pode ser usada no projeto de novos e eficientes sistemas energéticos e para aumentar a eficiência de sistemas existentes. A análise exergética também permite visões que transcendem uma avaliação com base somente na Primeira Lei. Assim, a análise exergética diferencia-se da análise energética. A análise de viabilidade técnica e econômica passa necessariamente pelo conhecimento de exergia e análise exergética. A otimização dos processos de conversão de energia existentes nos sistemas térmicos passa necessariamente pela aplicação da Análise Exergética e Termoeconômica (KOTAS,1985). Além das quantidades de energia, determinadas nos balanços energéticos de cada processo, a qualidade da energia, a disponibilidade e as irreversibilidades geradas são consideradas na análise exergética. De um ponto de vista físico, torna-se possível verificar as eficiências e perdas exergéticas das atividades econômicas na transformação dos materiais, no consumo de bens e na prestação de serviços (COSTA, 2002). Costa (2002) frisa que apesar dos recentes desenvolvimentos, a análise exergética ainda é marginal em relação a outros métodos consagrados da análise energética, citando razões variadas, desde a desinformação geral sobre o método até a dificuldade de obtenção de dados apropriados. Daí a motivação para este trabalho: aumentar o conhecimento sobre a propriedade exergia, identificar as relações entre exergia e sustentabilidade de processos e/ou sistemas e entre exergia e desenvolvimento sustentável, e identificar indicadores baseados em exergia e postulados para acompanhamento ou mensuração da sustentabilidade de processos e/ou sistemas e/ou do desenvolvimento sustentável. I.5 Metodologia e delimitação do trabalho Martins (2006) apresenta uma síntese acerca da classificação das pesquisas com base em Gil (2002 apud MARTINS, 2006). Segundo Martins, são os objetivos gerais que norteiam o trabalho que determinam a classificação das pesquisas em três grandes grupos: exploratórias, descritivas e explicativas. Já quanto aos procedimentos técnicos utilizados, é o procedimento para coleta de dados que define o tipo de pesquisa quanto ao seu delineamento em dois grandes grupos: aqueles que utilizam fontes de ‘papel’ e aqueles cujos dados são fornecidos por pessoas. A pesquisa bibliográfica e a pesquisa documental estão no primeiro grupo (MARTINS, 2006). Com base na síntese de Martins (2006), este trabalho classifica-se quanto aos seus objetivos como pesquisa exploratória, pois baseia-se na busca da

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identificação da orientação conferida na prática acadêmica ao uso da propriedade exergia na determinação da sustentabilidade, ou em enfoques dados a exergia e desenvolvimento sustentável. Quanto ao delineamento, este trabalho classifica-se como pesquisa bibliográfica, pois é baseado em materiais já elaborados, objetivamente livros, teses e artigos técnicos científicos. Quanto à metodologia para obtenção de dados e relato de resultados da pesquisa bibliográfica foi utilizado o survey. O Macmillan English Dictionary for Advanced Learners (2007) apresenta entre os possíveis significados da palavra survey o seguinte: “noun 4 a general examination of a subject or situation : The essay begins with a survey of the relevant literature” (MACMILLAN, 2007, p. 1509). Houaiss (2005) apresenta para a palavra survey a seguinte tradução:

“s. exame, vistoria, inspeção; levantamento (tb. topográfico); planta, mapa, sumário, esboço, descrição / vt. Examinar; estudar; observar cuidadosamente; reconhecer; inspecionar, vistoriar; fazer o levantamento topográfico de; demarcar, nivelar/ vi. Fazer levantamento topográfico” (HOUAISS, 2005, p. 773).

O Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais Anísio Teixeira – INEP/MEC (2008) em sua página na internet qualifica o survey como uma técnica estatística e o conceitua como “levantamento de dados e de informações sobre uma determinada realidade ou um determinado fenômeno, para proceder a um diagnóstico e a uma análise”. A palavra survey apresenta vários possíveis significados quando aplicada a diferentes áreas de pesquisa. Quando empregada pela Academia, um artigo survey é definido como a publicação escolar que tem o objetivo de sumarizar uma área de pesquisa. Um artigo survey é, portanto, um artigo que é um trabalho de síntese, publicado através de canais usuais (um jornal erudito ou volume coletivo, como anais de congresso ou coleção de ensaios). Um artigo survey diferencia-se de trabalhos de pesquisa usuais por duas razões: não é apresentado como pesquisa original do autor, mas como um survey ou sumário de um campo de pesquisa; e não é necessariamente submetido ao mesmo grau atento de revisão que um artigo científico sofre. O tratamento dado ao assunto em um artigo survey é freqüentemente mais superficial do que seria aceitável num livro. Sua amplitude pode estar situada entre um ensaio pessoal ou um artigo para enciclopédia. A intenção é dar acesso rápido a material reunido de diversos artigos.

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O presente trabalho foi realizado através de um survey, conforme definido por MacMillan (2007), cujo instrumento de pesquisa foi a revisão bibliográfica através da internet com base nas palavras-chave exergy, sustainability e sustainable development. Foi utilizada como base de dados principal a base de dados bibliográfica ScienceDirect (http://www.sciencedirect.com) mantida pela Editora Elsevier B.V., assinada e disponibilizada on line pela Petrobras, da qual é possível recuperar referências bibliográficas de artigos científicos publicados no período de 1823 até o presente, a partir de periódicos indexados por esta base. A base ScienceDirect contém em torno de 25% da produção científica mundial em áreas científica, tecnológica e médica. Em 08/02/2008, a base registrava oito milhões setecentos e sessenta e um mil e quatrocentos e três (8.761.403) artigos. A base compila e-livros, trabalhos de referência, handbooks e uma coleção de jornais acadêmicos de cerca de dois mil e seiscentos (2 600) títulos. A técnica de recuperação utilizou três palavras-chave: exergy, sustainability e sustainable development. Foi fixado o intervalo de tempo do período coberto pela base (1823-2008) e foi utilizada a modalidade de pesquisa Advanced Search – operação de pesquisa avançada na base bibliográfica ScienceDirect – e o modo de recuperação sort by date – enumeração das referências por data de publicação. Na modalidade de pesquisa Advanced Search as palavras-chave são pesquisadas no abstract, no título e nas palavras-chave indexadas na referência. Aplicação da metodologia Primeira Etapa da Revisão Bibliográfica Em 08/02/2008 foi executada a primeira etapa da revisão bibliográfica na base bibliográfica on line ScienceDirect, utilizando a palavra-chave exergy e realizando etapas de Advanced Search na opção sort by date fixando diferentes intervalos temporais. As recuperações estão abaixo relatadas:

a) Período 1823 – 2008 : Foram recuperadas 1.387 (um mil trezentas e oitenta e sete) referências.

b) Período 1823 – 2008 discriminado nos seguintes intervalos temporais

(uma etapa de Advanced Search para cada intervalo temporal):

i. 1822-1955 : Sem recuperações. ii. 1956-1960 : Sem recuperações. iii. 1961-1970 : 1 (uma) referência. iv. 1971-1980 : 27 (vinte e sete) referências. v. 1981-1990 : 108 (cento e oito) referências. vi. 1991-2000 : 385 (trezentas e oitenta e cinco) referências. vii. 2001-2008 : 866 (oitocentas e sessenta e seis) referências.

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Como pode ser visto, o número de referências recuperadas para a palavra-chave exergy é muito grande, necessitando por isso uma estratégia de refinamento, que foi aplicada na segunda e na terceira etapas da revisão bibliográfica. Segunda Etapa da Revisão Bibliográfica – Revisão específica Em 27/02/2008, foi executada uma pesquisa em uma única etapa de Advanced Search utilizando-se como palavras-chave exergy e sustainability para o período 1823 – presente. Foram obtidas quarenta e uma (41) recuperações na opção sort by date. Em 28/07/2008, esta pesquisa foi repetida obtendo-se quarenta e cinco (45) recuperações na opção sort by date. Terceira Etapa da Revisão Bibliográfica – Revisão específica Em 11/09/2008, foi executada uma nova pesquisa em uma única etapa de Advanced Search utilizando-se como palavras-chave exergy e sustainable development para o período 1823 – presente. Foram obtidas trinta e cinco (35) recuperações na opção sort-by-date. A sobreposição com a pesquisa anterior, palavras-chave exergy/sustainability, revelou treze (13) recuperações repetidas, restando vinte e duas (22) recuperações inéditas. No total das duas pesquisas feitas foram obtidas para análise sessenta e sete (67) recuperações, que foram ordenadas por data de publicação e analisadas. Após a análise, cinqüenta e seis (56) referências foram identificadas como procedentes (congruentes com o tema) e compõem o survey. A análise feita sobre cada artigo visou identificar sempre que possível os seguintes pontos básicos:

• o uso técnico dado à função exergia; • o conceito de sustentabilidade ou desenvolvimento sustentável evocado; • as relações entre exergia e desenvolvimento sustentável ou

sustentabilidade; • os indicadores baseados em exergia postulados e/ou utilizados no

trabalho; • a relação do que é proposto no trabalho com gestão, procurando

identificar que tipo de gestão está implícita ou explícita no trabalho e especialmente os casos em que a gestão ambiental é utilizada ou é potencial.

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As avaliações dos artigos considerados procedentes compõem o survey propriamente dito (Capítulo IV, itens IV.4, IV.5 e IV.6). A análise das referências procedentes está sumarizada no Quadro IV.1 (Capítulo IV, item IV.7). I.6 Estrutura da dissertação Inicialmente é apresentada uma breve introdução abrangendo uma visão geral do trabalho. O corpo do trabalho foi, então, dividido em quatro capítulos. No primeiro capítulo, o problema central do trabalho é contextualizado e identificado, e são especificados os objetivos gerais e específicos do estudo. Ainda neste capítulo é descrita a metodologia utilizada. O segundo capítulo consiste em apresentar fundamentos de gestão ambiental, e conceitos sobre indicadores e seu uso como instrumento de gestão. No terceiro capítulo são apresentados conceitos sobre exergia e a metodologia de análise exergética, a partir de conceitos introdutórios da termodinâmica, em que a energia, a Primeira e a Segunda Leis da termodinâmica e a exergia são apresentadas como ponto de partida teórico para o estudo. O quarto capítulo apresenta o survey feito. A partir da relação entre a questão ambiental e os conceitos de desenvolvimento sustentável e sustentabilidade, os desdobramentos e implicações da questão energética são analisados. A exergia é apresentada como a propriedade adequada de ser medida em trocas energéticas. Em seguida, é abordado o debate, ressaltando-se a ambigüidade apresentada pelos conceitos de desenvolvimento sustentável e sustentabilidade. Ainda neste capítulo são enfocadas as relações entre exergia, meio ambiente e desenvolvimento sustentável. É apresentada a organização do debate entre os anos de 1995 e 2008, tendo como base as referências recuperadas nas revisões bibliográficas específicas. São enumerados também os indicadores exergéticos propostos na literatura. Ao final deste capítulo são apresentadas as principais conclusões obtidas com o estudo. Segue-se com as considerações finais, em que se discute brevemente os principais aspectos do trabalho, bem como se apresenta sugestões para trabalhos futuros sobre o tema. Ao final, são apresentadas as Referências Bibliográficas e o Anexo.

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II. PRIMEIRO REFERENCIAL TEÓRICO – FUNDAMENTOS DE G ESTÃO II.1 Gestão ambiental Temos como objetivo neste tópico e nos seguintes traçar uma visão geral de gestão ambiental, e de sua relação com desenvolvimento sustentável. Para isso, vamos introduzir conceitos e aspectos correlatos com base principalmente no texto de referência de BARBIERI (2007). II.1.1 Meio ambiente e gestão ambiental Segundo Barbieri (2007) foi nas últimas três décadas do século XX que a preocupação com o estado do meio ambiente entrou definitivamente na agenda dos governos de muitos países e de diversos segmentos da sociedade civil organizada. No âmbito empresarial, essa preocupação é mais recente. A globalização dos problemas ambientais é um fato incontestável e as empresas estão, desde a sua origem, no centro desse processo. Os problemas ambientais decorrem do uso do meio ambiente como fonte de recursos para a produção da subsistência humana e como recipiente de resíduos da produção e consumo. Qualquer solução efetiva para os problemas ambientais terá necessariamente que envolver as empresas, pois são elas que produzem e comercializam a maioria dos bens e serviços colocados à disposição da sociedade em praticamente todos os cantos do planeta. Por meio ambiente entende-se o ambiente natural e o artificial, isto é, o ambiente físico e biológico originais e o que foi alterado, destruído e construído pelos humanos, como as áreas urbanas, industriais e rurais. Pelo fato desses elementos condicionarem a existência dos seres vivos pode-se dizer que o meio ambiente é a própria condição para a existência de vida na Terra. Os problemas ambientais provocados pelos humanos decorrem do uso do meio ambiente para obter os recursos necessários para produzir os bens e serviços que estes necessitam e dos despejos de materiais e energia não aproveitados ao meio ambiente. Segundo o autor, o aumento da escala de produção tem sido um importante fator que estimula a exploração dos recursos naturais e eleva a quantidade de resíduos. Certamente foi o aumento da escala de produção e consumo que provocou os problemas ambientais atuais. A era industrial alterou a maneira de produzir degradação ambiental, pois ela trouxe técnicas produtivas intensivas em material e energia para atender mercados de grandes dimensões. Em decorrência, a escala de exploração de recursos e das descargas de resíduos cresceu de modo tão intenso que passou a ameaçar a possibilidade de subsistência de muitos povos na atualidade e das gerações futuras.

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A capacidade de suporte do planeta, isto é, a quantidade de seres vivos que ele pode suportar sem se degradar, está ameaçada em função da maneira como a produção e o consumo estão sendo realizados, que exige recursos e gera resíduos em altas quantidades. Há diversos sinais de que a Terra já se encontra nos limites de sua capacidade para suportar as espécies vivas. Entre esses sinais estão os diversos problemas ambientais provocados pelas atividades humanas que vêm se agravando com o tempo, alguns dos quais já adquiriram dimensões globais ou planetárias, como a perda de biodiversidade, a redução da camada de ozônio, a contaminação das águas, as mudanças climáticas decorrentes da intensificação do efeito estufa, etc. Como resultado, o futuro da Terra e de todos os seres vivos está comprometido. A poluição humana é um dos aspectos mais visíveis dos problemas ambientais. A percepção das conseqüências da poluição humana se deu inicialmente no nível local, evoluindo para regiões e fronteiras entre países, para finalizar numa escala planetária. São os poluentes gerados por fontes antropogênicas, identificadas pelos setores da atividade humana os que causam os maiores problemas ambientais, pois cada setor produz poluentes específicos em decorrência dos seus insumos e processos típicos. Existem diversos processos desenvolvidos para capturar, tratar e dispor os poluentes, bem como para usar recursos de modo mais eficiente. Porém, questões de ordem política, econômica, social e cultural que estão na raiz dos problemas ambientais retardam ou inviabilizam a adoção das soluções já desenvolvidas. Os termos administração , gestão do meio ambiente , ou simplesmente gestão ambiental são entendidos como as diretrizes e as atividades administrativas e operacionais, tais como planejamento, direção, controle, alocação de recursos e outras, realizadas com o objetivo de obter efeitos positivos sobre o meio ambiente, quer reduzindo ou eliminando os danos ou os problemas causados pelas ações humanas, quer evitando que eles surjam. Embora o desenvolvimento da gestão ambiental remonte a épocas mais remotas, as ações para combater a poluição só começaram efetivamente a partir da Revolução Industrial. O crescimento da consciência ambiental por amplos setores da sociedade é outro fator de desenvolvimento da gestão ambiental. A expressão gestão ambiental aplica-se a uma grande variedade de iniciativas relativas a qualquer tipo de problema ambiental. Segundo Barbieri (2007), a origem da gestão ambiental são as ações governamentais para enfrentar a escassez de recursos. A partir daí, outros agentes passaram a considerar outras questões ambientais, com alcances diversos. Atualmente, todas as áreas são contempladas. Barbieri situa que qualquer proposta de gestão ambiental inclui no mínimo três dimensões:

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(1) a dimensão espacial, que concerne a área na qual espera-se que as

ações de gestão tenham eficácia; (2) a dimensão temática, que delimita as questões ambientais às quais as

ações se destinam; e (3) a dimensão institucional, relativa aos agentes que tomaram as iniciativas

de gestão. A Figura II.1 representa essas três dimensões, cada eixo indicando uma delas.

Figura II.1 – Dimensões da gestão ambiental (Fonte: BARBIERI (2007, p. 27)) Barbieri acresce a essas dimensões a filosófica, que trata da visão do mundo e da relação entre o ser humano e a natureza e cita duas grandes vertentes extremas de posicionamento: o antropocentrismo, segundo o qual a natureza só tem valor enquanto instrumento dos seres humanos, e o ecocentrismo, que atribui aos elementos da natureza um valor intrínseco e independente de qualquer apreciação humana. Entre esses extremos encontram-se abordagens socioambientais que reconhecem o valor intrínseco da natureza, mas admitem que ela deve ser usada para atender às necessidades humanas presentes e futuras. Essas abordagens socioambientais buscam sistemas de produção e consumo sustentáveis, entendidos como aqueles que procuram atender às necessidades humanas respeitando as limitações do meio ambiente, que não são estáticas e que o ser humano pode e deve ampliar para atender a todos. As propostas de gestão ambiental empresarial decorrentes dessa visão devem se apoiar em três critérios de desempenho: eficiência econômica, eqüidade social e respeito ao meio ambiente, critérios estes que devem ser considerados simultaneamente. Para desenvolver uma visão geral da gestão ambiental serão abordadas a gestão ambiental global e regional, a gestão ambiental nacional e local, bem

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como a importância e necessidade das políticas públicas, para então abordar a gestão ambiental empresarial. II.1.2 Gestão ambiental global e regional As iniciativas para enfrentar os problemas ambientais globais propiciaram ao longo do tempo o surgimento de diversos acordos multilaterais, bem como de órgãos intergovernamentais para administrá-los e mecanismos de ação internacional. Barbieri apresenta uma periodização para a evolução dos acordos multilaterais concernentes aos mais diversos temas ambientais, com ênfase em gestão ambiental:

(a) A Fase inicial, que vai do início do século XX até 1972, na qual prevalece um tratamento pontual das questões ambientais, desvinculado de qualquer preocupação com os processos de desenvolvimento;

(b) A Segunda fase, que começa com a Conferência das Nações Unidas para o Meio Ambiente Humano, realizada em Estocolmo em 1972 e que se estende até 1992, caracteriza-se pela busca de uma nova relação entre meio ambiente e desenvolvimento. A Conferência aprovou a Declaração sobre o Ambiente Humano, um plano de ação constituído de cento e dez (110) recomendações e conseguiu o início de um envolvimento mais intenso da ONU nas questões ambientais de caráter global. Com a implementação do plano de ação, começou de fato a construção de uma infra-estrutura internacional para a gestão ambiental global, com a criação de observatórios para monitorar e avaliar o estado do meio ambiente, com o maior envolvimento dos bancos multilaterais e regionais de desenvolvimento (Banco Mundial, BID, etc) e com a criação do PNUMA – Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente, que passaria a centralizar grande parte das ações da ONU em relação às questões ambientais. Surge nessa fase o conceito de desenvolvimento sustentável.

(c) A fase atual da gestão ambiental global que tem início com a realização da Conferência das Nações Unidas para o Meio Ambiente e Desenvolvimento (CNUMAD) realizada em 1992 no Rio de Janeiro, que contou com a participação de cento e setenta e oito (178) países. Nessa Conferência foram aprovados documentos importantes relativos aos problemas socioambientais globais, dentre eles a Declaração do Rio de Janeiro sobre o Meio ambiente e o Desenvolvimento, a Convenção sobre Mudanças Climáticas, a Convenção da Biodiversidade e a Agenda 21.

Dessa fase atual, o documento mais conhecido e de maior repercussão é a AGENDA 21, que contém as principais políticas ambientais e de desenvolvimento em nível internacional, apresentando recomendações específicas para os diferentes níveis de atuação, do internacional ao organizacional (sindicatos, empresas, ONGs, instituições de ensino e pesquisa,

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etc) sobre assentamentos humanos, erradicação da pobreza, desertificação, água doce, oceanos, atmosfera, poluição e outras questões socioambientais constantes em diversos relatórios, tratados, protocolos e outros documentos elaborados durante décadas pela ONU e outras entidades globais e regionais. Na sua essência, a Agenda 21 é uma consolidação das resoluções já tomadas por essas entidades e estruturadas a fim de facilitar sua implementação nos diversos níveis de abrangência. A fase atual da gestão ambiental global se caracteriza pela implementação e aprofundamento desses acordos multilaterais, o que implica colocar em prática as suas disposições e recomendações pelos estados nacionais, governos locais, empresas e outros agentes. Porém, a Ordem Ambiental Internacional já não se restringe apenas aos governos e instituições intergovernamentais. Dela fazem parte uma variedade de atores não-governamentais com grande capacidade de mobilização de pessoas e recursos financeiros, bem como de articulação com empresas, governos e instituições de ensino e pesquisa, resultando daí uma diversidade de iniciativas mistas de gestão em todos os níveis de abrangência espacial e envolvendo todo o tipo de questão ambiental. Já no nível regional, segundo Barbieri, podem se distinguir três tipos de gestão ambiental:

• Aquela que decorre do tratamento regional dado aos problemas ambientais globais comuns, como gestões para disciplinar a pesca em grandes oceanos, conduzidas pela FAO dentro de acordos globais relativos aos mares e oceanos;

• Aquela que engloba as iniciativas que procuram alcançar efeitos em dois ou mais países, geralmente limítrofes, para resolver problemas específicos, como por exemplo a gestão de uma bacia hidrográfica comum e o combate à chuva ácida;

• Aquela que faz parte do conjunto de medidas de um bloco econômico, como a União Européia, NAFTA e MERCOSUL, caso em que a gestão envolve uma pluralidade de questões ambientais. Um exemplo típico de atuação desse tipo de gestão ambiental regional é a harmonização das leis nacionais com vistas a reduzir as assimetrias no tratamento das questões ambientais e correlatas, para não prejudicar a livre circulação de mercadorias e serviços

II.1.3 Gestão ambiental nacional e local Segundo Barbieri, é no interior dos Estados Nacionais, de suas subdivisões, localidades, comunidades e organizações que ocorrem efetivamente as ações de gestão ambiental. As disposições dos acordos globais e regionais devem ser incorporadas às legislações nacionais e locais para gerar efeitos sobre os agentes econômicos, produtores e consumidores. Cada país faz tal

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incorporação segundo seus interesses e limitações, gerando grande assimetria entre eles em termos de implementação. Adicionalmente, cada país e suas divisões internas possuem problemas específicos, como as características de seus ambientes físicos, biológicos e sociais, bem como dos recursos naturais aí existentes (água, solo, reservas minerais, biomas, etc.) que exigem soluções específicas. A gestão ambiental nos níveis nacionais e locais se efetiva por meio da implementação de diversos instrumentos de políticas ambientais públicas e privadas. As políticas públicas ambientais nacionais e locais constituem as bases da gestão ambiental no âmbito de um determinado país e de suas subdivisões. II.1.4 Políticas públicas ambientais Segundo Barbieri (2007), gestão ambiental pública é a ação do poder público conduzida segundo uma política pública ambiental. O autor entende por política pública ambiental o conjunto de objetivos, diretrizes e instrumentos de ação que o poder público dispõe para produzir efeitos desejáveis sobre o meio ambiente. Existem, em decorrência da participação cada vez mais intensa dos estados nacionais em questões ambientais e da diversidade dessas questões, uma variedade de instrumentos de políticas públicas ambientais de que o setor público pode se valer para evitar novos problemas ambientais, bem como para eliminar ou minimizar os existentes. Os instrumentos de políticas públicas ambientais podem ser explícitos, quando são criados para alcançar efeitos ambientais benéficos específicos, ou implícitos, quando alcançam tais efeitos por via indireta, uma vez que não foram criados para isso. Entretanto, quando se fala em instrumento de política pública ambiental, geralmente se está indicando os instrumentos explícitos. Os instrumentos explícitos de política pública ambiental podem ser classificados em: instrumentos de comando e controle, instrumentos econômicos e outros, conforme o Quadro II.1. Os instrumentos de política pública ambiental apresentam níveis diferentes de eficácia, cada instrumento tendo suas vantagens e desvantagens. Uma política ambiental consistente deve se valer de todos os instrumentos possíveis e estar atenta aos efeitos sobre a competitividade das empresas. Deve ser eficiente para prevenir danos ambientais sem, no entanto, prejudicar a competitividade das empresas, principalmente quando elas atuam em mercados externos. Instrumentos de comando e controle devem ser usados para impedir a degradação ambiental no curto prazo, incluindo medidas administrativas e judiciais. As causas dos problemas ambientais podem ser abordadas por soluções adotadas em resposta aos mecanismos econômicos, que atuam sobre a estrutura de custo e benefício das empresas.

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Quadro II.1 – Instrumentos de política pública ambi ental – Classificação e exemplos Gênero Espécies Comando e controle • Padrão de emissão

• Padrão de qualidade • Padrão de desempenho • Padrões tecnológicos • Proibições e restrições sobre produção, comercialização

e uso de produtos e processos • Licenciamento ambiental • Zoneamento ambiental • Estudo prévio de impacto ambiental

Econômico • Tributação sobre poluição • Tributação sobre uso de recursos naturais • Incentivos fiscais para reduzir emissões e conservar

recursos • Remuneração pela conservação dos serviços ambientais • Financiamentos em condições especiais • Criação e sustentação de mercados de produtos

ambientalmente saudáveis • Permissões negociáveis • Sistema de depósito-retorno • Poder de compra do estado

Outros • Apoio ao desenvolvimento científico e tecnológico • Educação ambiental • Unidades de conservação • Informações ao público

(Fonte: BARBIERI (2007, p. 73)) Outros instrumentos de política ambiental são importantes para melhoria das práticas empresariais. Os instrumentos de políticas públicas para o desenvolvimento de ciência e tecnologia são importantes instrumentos implícitos de política ambiental. A educação ambiental é outro importante instrumento de política pública. II.1.5 Gestão ambiental empresarial Gestão ambiental empresarial são as diferentes atividades administrativas e operacionais realizadas pela empresa para abordar problemas ambientais decorrentes da sua atuação ou para evitar que eles ocorram no futuro. A atitude empresarial de considerar o meio ambiente nas decisões empresariais e adotar concepções administrativas e tecnológicas que contribuam para ampliar a capacidade de suporte do planeta não surge, em geral, espontaneamente. As atitudes e preocupações ambientais dos empresários são influenciadas por três grandes conjuntos de forças que interagem reciprocamente: o governo, a sociedade e o mercado (Figura II.2).

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Figura II.2 – Gestão ambiental empresarial – Influê ncias (Fonte: BARBIERI (2007, p. 113)) As legislações ambientais geralmente resultam da percepção de problemas ambientais por parte de segmentos da sociedade que pressionam os agentes estatais para solucioná-los. Do ponto de vista de mercado, as questões ambientais passaram a ter impactos importantes sobre a competitividade dos países e suas empresas, ocorrendo profundos impactos das leis ambientais sobre a competitividade das empresas no comércio internacional. Os investidores também exercem pressão buscando minimizar os riscos de seus investimentos. Um dos itens focados é a geração de passivos ambientais pelo não-cumprimento da legislação, que pode comprometer a rentabilidade futura de uma empresa. Uma empresa sustentável seria aquela que cria valor de longo prazo aos acionistas ou proprietários e contribui para a solução dos problemas ambientais e sociais. Uma empresa pode desenvolver três diferentes abordagens dependendo de como ela atua em relação aos problemas ambientais decorrentes de suas atividades: controle de poluição, prevenção de poluição e estratégica, que incorpora essas questões na estratégia da empresa. O controle de poluição se caracteriza pelo estabelecimento de práticas para impedir os efeitos decorrentes da poluição gerada por um dado processo produtivo. Pela prevenção da poluição, a empresa procura atuar sobre os produtos e processos produtivos para prevenir a geração de poluição, empreendendo ações com vistas a uma produção mais eficiente, poupando materiais e energia em diferentes fases do processo de produção e comercialização. A prevenção da poluição combina duas preocupações ambientais básicas: uso sustentável dos recursos e controle da poluição. Os instrumentos típicos para o uso sustentável dos recursos podem ser sintetizados pelas atividades conhecidas como 4Rs: redução da poluição na fonte, reuso, reciclagem e recuperação energética, como ilustra a Figura II.3.

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Figura II.3 – Prevenção da poluição – Prioridades ( Fonte: BARBIERI (2007, p. 123)) Na abordagem estratégica, os problemas ambientais são tratados como uma das questões estratégicas da empresa. A empresa procura aproveitar oportunidades mercadológicas e neutralizar ameaças decorrentes de questões ambientais existentes ou que poderão ocorrer no futuro. Para implementar qualquer uma dessas abordagens, uma empresa deverá realizar atividades administrativas e operacionais orientadas por concepções mentais, explícitas ou não, configurando um modelo de gestão ambiental específico. Esses modelos são entendidos como construções conceituais que orientam as atividades administrativas e operacionais para alcançar objetivos definidos. Diversos modelos genéricos de gestão ambiental foram criados a partir de meados da década de 1980: Atuação Responsável (Responsible Care), Administração da Qualidade Ambiental Total (TQEM), Produção Mais Limpa (Cleaner Production), Eco-eficiência e Projeto para o Meio Ambiente (Design for Environment). Estes modelos de gestão podem ser adotados por uma empresa de modo isolado. É válido aqui apresentar algumas características do modelo de gestão Eco-eficiência. Eco-eficiência é um modelo de gestão ambiental empresarial introduzido em 1992 pelo Business Council for Sustainable Development, atual World Business Council for Sustainable Development (WBCSD). Segundo a OECD – Organization for Economic Co-operation and Development e o WBCSD, a eco-eficiência se alcança pela entrega de produtos e serviços com preços competitivos que satisfaçam as necessidades humanas e melhorem a qualidade de vida, enquanto reduzem progressivamente os impactos ecológicos e a intensidade dos recursos ao longo de seu ciclo de vida para no mínimo manterem a capacidade de carga estimada do Planeta. Uma empresa eco-eficiente adota práticas voltadas para (OECD, 1998 apud BARBIERI, 2007):

(a) minimizar a intensidade de materiais nos produtos e serviços; (b) minimizar a intensidade de energia nos produtos e serviços; (c) minimizar a dispersão de qualquer tipo de material tóxico pela empresa; (d) aumentar a reciclagem dos seus materiais; (e) maximizar o uso sustentável dos recursos renováveis;

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(f) aumentar a durabilidade dos produtos da empresa;e (g) aumentar a intensidade dos serviços nos seus produtos e serviços.

A eco-eficiência baseia-se na idéia de que a redução de materiais e energia por unidade de produto ou serviço aumenta a competitividade da empresa, ao mesmo tempo que reduz as pressões sobre o meio ambiente, seja como fonte de recurso, seja como depósito de resíduos. A eco-eficiência é um modelo de produção e consumo sustentável, na medida que ressalta a produção de bens e serviços necessários e que contribuam para melhorar a qualidade de vida. Outros modelos de gestão criados na últimas décadas baseiam-se em conceitos extraídos da ecologia. Metabolismo industrial (industrial metabolism), ecologia industrial (industrial ecology) e simbiose industrial (industrial symbiosis) são alguns modelos de gestão ambiental que têm em comum a tentativa de aproximar os sistemas de produção humanos com o que ocorre com os organismos num ecossistema. O objetivo básico dessas propostas é a criação de sistemas de produção inspirados nos fluxos de materiais e energia entre os organismos e seu meio físico, nos quais as perdas são mínimas. A implementação desses modelos inspirados na natureza requer um conjunto de empresas, formando uma comunidade empresarial inspirada na comunidade biológica, onde por meio dos resíduos se processam as articulações entre as diferentes unidades produtivas de um parque ou região. A adoção de qualquer modelo de gestão requer o uso de instrumentos de gestão, que são meios ou ferramentas para alcançar objetivos específicos em matéria ambiental: auditoria ambiental, avaliação do ciclo de vida, estudos de impacto ambiental, sistemas de gestão ambiental, relatórios ambientais, rotulagem ambiental, gerenciamento de riscos ambientais e educação ambiental empresarial são alguns exemplos. II.1.6 Sistemas de gestão ambiental Sistema de gestão ambiental é um conjunto de atividades administrativas e operacionais inter-relacionadas para abordar os problemas ambientais atuais ou para evitar o seu surgimento. Um sistema de gestão ambiental (SGA) requer a formulação de diretrizes, definição de objetivos, coordenação de atividades e avaliação de resultados. Também é necessário o envolvimento de diferentes segmentos da empresa para tratar das questões ambientais de modo integrado com as demais atividades empresariais. Qualquer SGA requer um conjunto de elementos comuns que independem da estrutura organizacional, do tamanho e do setor de atuação da empresa. Esses elementos são: comprometimento com a sua efetivação por parte da alta

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administração, estabelecimento da política ambiental, a avaliação dos impactos ambientais atuais e futuros, os planos fixando objetivos e metas, os instrumentos para acompanhar e avaliar as ações planejadas e o desempenho do SGA como um todo. O SGA adotado por uma empresa pode ser de criação própria ou pode ser um dos modelos genéricos propostos por entidades nacionais ou internacionais. Alguns modelos genéricos de SGA propostos por entidades internacionais são:

• SGA proposto pela International Chamber of Commerce (ICC); • Sistema Comunitário de Ecogestão e Auditoria (EMAS – Eco

Management and Audit Scheme), estabelecido pelo Conselho da Comunidade Econômica Européia, em 1993;

• SGA proposto pela norma BS 7750, criada pelo British Standards Institution (BSI) em 1992;

• A família de normas ISO 14000, criada pela International Organization for Standardization (ISO), a partir de 1993.

Robèrt (2002) ressalta o crescimento nas últimas décadas das preocupações com o desenvolvimento não-sustentável e da vontade crescente da sociedade de resolver essa situação. Ressalta também que o desenvolvimento de vários conceitos para a administração sistêmica e que o monitoramento do desenvolvimento sustentável obtiveram a aceitação mundial. Cita como exemplos os diversos sistemas de gestão ambiental aplicados para um melhor desempenho ecológico nas empresas, ressaltando que o mais amplamente aceito forma o ISO 14001 e o sistema correspondente lançado pela União Européia, o EMAS (Sistema de Ecogestão e Auditoria). O ISO 14001 e o EMAS são os SGA mais difundidos. Ainda cita o desenvolvimento de outros instrumentos com objetivos mais específicos, como a análise do ciclo de vida (LCA), a Pegada Ecológica, e o Fator 10. Robèrt (2002) avalia que a maior parte dos conceitos para o desenvolvimento sustentável consiste em diversos meios para medir a relevância de diferentes atividades em relação ao conceito de desenvolvimento sustentável, ou seja, monitorar e administrar o caminho para a sustentabilidade. Segundo Robèrt (2002), o instrumento ISO 14001 (e EMAS) é um mecanismo administrativo para o trabalho ambiental dentro das empresas. Os princípios e atividades planejadas e as medições de acordo com esses princípios são o conteúdo, ao passo que o Sistema de Gestão Ambiental é o veículo, o instrumento administrativo. Robèrt (2002) frisa que os princípios e as atividades devem ser colocados em um contexto administrativo pertinente de modo que os princípios sejam implementados por meio das atividades planejadas, que são monitoradas, examinadas e avaliadas no sentido de administrar o próximo ciclo de atividades dentro do SGA. A utilidade de um SGA para o desenvolvimento sustentável requer que os objetivos das atividades individualmente elaboradas de

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planejamento e medição para atingir esses objetivos sejam incorporados ao SGA. II.1.7 Gestão ambiental, desenvolvimento sustentáve l e sustentabilidade Segundo Almeida (2007), as megamudanças nos ecosistemas estão induzindo crescentes alterações no comportamento de diversos atores no setor público, no setor privado e na sociedade civil. A regulamentação por parte dos governos e a pressão exercida pelos grupos de interesse (acionistas, ONG’s, clientes) aumentam. As empresas líderes buscam agir primeiro, buscando estabelecer parâmetros de mercado em patamares distintos, fortalecer suas marcas, explorar oportunidades e acumular vantagens competitivas em seus empreendimentos. D’avignon (2000) resume com pertinência as relações entre gestão ambiental, gestão ambiental empresarial e desenvolvimento sustentável, ressaltando que a observância do princípio do desenvolvimento sustentável induz a uma maior consciência e responsabilidade ambiental do setor produtivo. Segundo Amaral (2003) as indústrias começaram a se preocupar com o tema desenvolvimento sustentável empresarial no início da década de 90, quando o “World Business Council for Sustainable Development” (WBCSD) e várias empresas de petróleo internacionais começaram seus trabalhos sobre o tema visando a participação do setor produtivo na Rio-92. Ainda Amaral (2003) relata que no Brasil, em março de 1997, foi criado o Conselho Empresarial Brasileiro para o Desenvolvimento Sustentável (CEBDS) e que existe no país a Fundação Brasileira para o Desenvolvimento Sustentável (FBDS, www.fbds.org.br), que realiza projetos voltados ao desenvolvimento sustentável. Dias (2006) indica que o documento do CEBDS, “Mudando o rumo: uma perspectiva global do empresariado para o desenvolvimento e o meio ambiente”, elaborado durante a ECO 92, e voltado para o desenvolvimento sustentável no meio empresarial, divulgou a seguinte declaração:

“o mundo se move em direção à desregulação, às iniciativas privadas e aos mercados globais. Isto exige que as empresas assumam maior responsabilidade social, econômica e ambiental ao definir seus papéis e ações” (SCHMIDHEINY, 1992, p. 12 apud DIAS, 2006, p. 37).

Dias (2006) apresenta ainda um esquema dos fatores que constroem a sustentabilidade empresarial conforme o WBCSD (Figura II.4).

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Figura II.4 – Indicadores para a sustentabilidade e mpresarial (Fonte: DIAS (2006, p. 38)) Dias (2006) ressalta que a penetração do conceito de desenvolvimento sustentável no meio empresarial tem se pautado principalmente como um modo de as empresas assumirem formas de gestão mais eficientes, como práticas identificadas com a eco-eficiência e a produção mais limpa. A elevação do nível de consciência do empresariado em torno da perspectiva de um desenvolvimento econômico mais sustentável estaria em segundo plano, segundo o autor. A sustentabilidade ainda estaria mais focada no ambiente interno das organizações, voltada prioritariamente para processos e produtos. Conforme Dias (2006), o desenvolvimento sustentável nas organizações apresenta três dimensões: a econômica, a social e a ambiental. A dimensão econômica da sustentabilidade prevê que as empresas têm que ser economicamente viáveis, cumprindo seu papel na sociedade com o objetivo da rentabilidade, ou seja, dar retorno ao investimento realizado pelo capital privado (DIAS, 2006). Na dimensão social, o aspecto relevante é proporcionar as melhores condições de trabalho aos seus empregados, procurando contemplar a diversidade cultural existente na sociedade em que atua (DIAS, 2006). Na dimensão ambiental, a organização deve pautar-se pela eco-eficência dos seus processos produtivos, adotar a produção mais limpa, oferecer condições para o desenvolvimento de uma cultura organizacional ambiental, adotando uma postura de responsabilidade ambiental, buscando a não contaminação do ambiente físico natural, além de procurar adaptar-se às atividades e regulamentações emanadas das autoridades governamentais locais e regionais com respeito ao meio ambiente natural (DIAS, 2006). Essas três dimensões da sustentabilidade devem estar em equilíbrio dinâmico permanente, tanto no interior da organização quanto entre diferentes

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organizações que atuem preferencialmente em uma das dimensões, por ex. entre empresas (dimensão econômica), sindicatos (dimensão social) e entidades ambientalistas (dimensão ambiental), de modo que as três dimensões sejam contempladas de modo a manter a sustentabilidade do sistema. A Figura II.5 representa o equilíbrio dinâmico entre essas três dimensões.

Figura II.5 – Equilíbrio dinâmico da sustentabilida de (Fonte: Dias (2006, p. 41)) De acordo com Amaral (2003), na medida que a evolução do desenvolvimento sustentável implica em trabalhar com estes três macro temas que compõem o chamado “triple bottom line”, o conceito pressupõe interdisciplinaridade. Para Amaral (2003)

“A sinergia entre esses aspectos permeia a aplicação dos conceitos de Desenvolvimento Sustentável, ou sustentabilidade, onde quer que ele seja aplicado, tanto em nível governamental, como da sociedade civil ou na seara empresarial” (AMARAL, 2003, p.2).

Como pode ser visto, o conceito de desenvolvimento sustentável e o de sustentabilidade assumem uma ampla perspectiva de aplicabilidade, em detrimento das dubiedades existentes em sua essência. Segundo Amaral (2003)

“o conceito de desenvolvimento sustentável catalisa um conjunto de temas que expressam os anseios e as aspirações da sociedade contemporânea, podendo ser desdobrado nos diversos compartimentos sociais que compõem o mundo globalizado que hoje vivemos” (AMARAL, 2003, p. 1).

Cabe discernir cuidadosamente o contexto em que esses conceitos são aplicados, bem como as interpretações inerentes à cada aplicação. É

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indiscutível, porém, que esses conceitos alcançaram ampla repercussão e popularização, e que realmente todas as discussões em torno da questão ambiental os evocam como norteadores de um paradigma. Segundo Dias (2006) sua importância advém de que o conceito de desenvolvimento sustentável traz ao processo de desenvolvimento os limites de uso da natureza. II.2 Indicadores II.2.1 Indicadores como instrumentos de gestão É nosso objetivo neste item introduzir uma visão geral sobre indicadores e situá-los como instrumentos de gestão. Foi utilizado o texto de referência principal de TAKASHINA & FLORES (1996). Indicadores são essenciais ao planejamento e controle dos processos das organizações. São essenciais ao planejamento porque possibilitam o estabelecimento de metas quantificadas e o seu desdobramento na organização. São essenciais ao controle porque os resultados apresentados através deles são fundamentais para a análise crítica do desempenho da organização, para as tomadas de decisão e para o re-planejamento. Indicadores são formas de representação quantificáveis das características de produtos e processos. São utilizados pela organização para controlar e melhorar a qualidade e o desempenho dos seus produtos e processos ao longo do tempo. A apuração de resultados através dos indicadores permite uma avaliação do desempenho da organização no período, em relação à meta e a outros referenciais, subsidiando as tomadas de decisão e o re-planejamento. Para isso, o acompanhamento do indicador deve demonstrar níveis, tendências e comparações. O nível refere-se ao patamar em que os resultados se situam no período. A tendência refere-se à variação do nível dos resultados em períodos consecutivos. A comparação pode ser feita em relação a indicadores compatíveis de outros produtos ou processos da organização, a indicadores de outras unidades de negócios, ou a indicadores de outras organizações, visando proporcionar parâmetros de referência para os resultados obtidos. A partir dos resultados demonstrados através dos indicadores é possível se estabelecer a taxa de melhoria, a sua amplitude e importância. Desta forma, pode-se avaliar se a melhoria foi revolucionária, contínua ou de restauração, se a melhoria é sustentada e se há evidência de liderança no ramo. Um indicador deve ser gerado criteriosamente, de forma a assegurar a disponibilidade dos dados e resultados mais relevantes no menor tempo possível e ao menor custo. O Quadro II.2 descreve os principais critérios para geração de um indicador.

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Quadro II.2 – Principais critérios para geração de um indicador

Critérios Descrição Seletividade ou importância Capta uma característica-chave do produto ou do processo

Simplicidade e clareza Fácil compreensão e aplicação em diversos níveis da organização, numa linguagem acessível.

Abrangência Suficientemente representativo, inclusive em termos estatísticos, do produto ou do processo a que se refere: devem-se priorizar indicadores representativos de situação ou contexto global.

Rastreabilidade e acessibilidade

Permite o registro e a adequada manutenção e disponibilidade dos dados, resultados e memórias de cálculo, incluindo os responsáveis envolvidos. É essencial à pesquisa dos fatores que afetam o indicador. (Os dados podem ser armazenados em microfilme, meio eletromagnético, relatórios, etc).

Comparabilidade Fácil de comparar com referenciais apropriados, tais como o melhor concorrente, a média do ramo e o referencial de excelência.

Estabilidade e rapidez de disponibilidade

Perene e gerado com base em procedimentos padronizados, incorporados às atividades do processador. Permite fazer uma previsão do resultado, quando o processo está sob controle.

Baixo custo de obtenção Gerado a baixo custo, utilizando unidades adimensionais, ou dimensionais simples, tais como percentagem, unidades de tempo, etc.

(Fonte: MEFP/IPEA, 1991 apud TAKASHINA & FLORES, 1996, p. 25) Por meta entende-se o valor pretendido para o indicador de um produto ou processo, a ser atingido em determinadas condições, estabelecidas no planejamento. A meta é fixada a partir das necessidades e expectativas traduzidas do cliente (interno ou externo), levando em conta os objetivos e estratégias da organização, referenciais externos de comparação e os indicadores e metas de nível superior. No nível mais elevado da estrutura organizacional, os indicadores e as metas são em geral fortemente relacionados aos objetivos e estratégias da organização. À medida que são desdobrados na estrutura, os indicadores e as metas passam a ser mais influenciados pelos indicadores e metas de nível superior, embora não devam perder de vista os objetivos e estratégias, particularmente em grandes organizações. Segundo a FPNQ – Fundação para o Prêmio Nacional da Qualidade (FPNQ, 1995 apud TAKASHINA & FLORES, 1996) a aprendizagem de um processo ocorre pela realimentação entre o processo e seus resultados. O ciclo de aprendizagem tem quatro estágios (FPNQ, 1995):

• Planejamento, incluindo a seleção dos indicadores; • Execução dos planos, coleta e processamento dos dados e resultados; • Avaliação do progresso, utilizando os indicadores; • Revisão dos planos, com base nas avaliações.

Três tipos de melhorias podem ser avaliadas com o uso de indicadores:

• Revolucionária ou radical : de forte impacto, obtida normalmente com a realização de investimentos;

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• Contínua: incremental, obtida geralmente sem a realização de investimentos;

• De restauração: obtida com a recuperação das condições originais de projeto.

Os indicadores devem estar orientados para os resultados do negócio, de forma a direcionar as ações da organização no sentido de entregar sempre um melhor valor ao cliente e aprimorar o seu desempenho. Os tipos-chave de indicadores devem estar associados às áreas-chave do negócio, conforme apresentado no Quadro II.3. O conjunto de indicadores deve constituir um sistema, devendo haver, portanto, relações de interdependência e complementaridade entre seus elementos. Quadro II.3 – Tipos-chave de indicadores Áreas-chave do negócio Tipos-chave de indicadores Clientes I- satisfação, retenção e insatisfação de clientes Mercados II- participação no mercado e desenvolvimento de novos mercados Produtos III- desempenho de produtos e serviços Processos IV- desempenho operacional e financeiro Fornecedores V- desempenho de fornecedores Recursos Humanos VI- desempenho de recursos humanos Comunidade e Meio Ambiente

VII- desempenho na responsabilidade pública e no espírito comunitário

(Fonte: FPNQ, 1995 apud TAKASHINA & FLORES, 1996, p. 46, adaptado) Todo indicador deve ter um título, que permita identificar sua aplicação. Além disso, os indicadores devem ser desdobrados na estrutura organizacional, de forma que cada gerente seja responsável por um número limitado de metas e resultados. Nos níveis superiores da organização os indicadores são, em geral, mais genéricos que nos níveis inferiores. A definição de um indicador está relacionada ao seu método de cálculo, geralmente traduzido para uma expressão matemática. A definição, assim como o título, deve constar da especificação do indicador. Quanto à metodologia, a gestão dos indicadores contempla:

• a definição das características do produto e do processo; • o estabelecimento de indicadores e metas; • a definição dos métodos para medir e interpretar o desempenho; • a medição, a análise e o uso dos dados e resultados; • a verificação da eficácia do processo de gestão dos indicadores; • o desenvolvimento de ação corretiva para aprimoramento dos

indicadores (quando necessário). O processo de gestão dos indicadores é, na prática, e particularmente nas grandes organizações, bastante complexo, envolvendo praticamente todas as áreas funcionais da organização. O Quadro II.4 sintetiza o processo de gestão de indicadores em seis fases.

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Quadro II.4 – Fases da gestão de indicadores

FASES DESCRIÇÃO Preparação • Criar cultura e clima adequados para medições, desafios e

melhorias. • Formar equipe de desenvolvimento: conhecedores de

indicadores e sistemas de informação, gerentes e pessoal envolvidos nos processos.

• Estabelecer os propósitos da organização com relação ao sistema de indicadores.

• Planejar o contato com clientes, com base em diagnósticos e ações passadas.

Definição das características, indicadores e metas

• Realizar pesquisa orientada para conhecer o mercado e os clientes.

• Traduzir as necessidades e expectativas dos clientes, desdobrar as características do produto e do processo, desenvolver os indicadores e estabelecer as metas de nível superior, observando os objetivos e estratégias da organização e os referenciais de comparação.

• Desdobrar os indicadores e as metas na estrutura organizacional. • Selecionar os indicadores e as metas mais importantes para uso

no dia-a-dia. Desenvolvimento do sistema de informação

• Escolher a técnica de medição. • Identificar as fontes de dados. • Eliminar os indicadores inviáveis ou difíceis de operacionalizar. • Desenvolver ou aprimorar as metodologias para coleta e

processamento, análise e uso dos dados e resultados. • Verificar a consistência do sistema

Medição e análise dos dados e resultados

• Coletar e processar os dados. • Analisar os dados e os resultados, envolvendo a gerência e sua

equipe. • Procurar reduzir o ciclo de acesso e análise dos indicadores.

Uso dos dados e resultados • Disponibilizar tabelas, gráficos, relatórios, mapas, etc. • Analisar criticamente os dados e resultados. • Vincular os resultados a decisões e ações. • Utilizar os resultados na revisão do planejamento. • Medir o uso dos dados e resultados.

Ciclo de avaliação e melhoria

• Avaliar a abrangência dos indicadores com relação aos propósitos da organização, e sua aplicação nas tomadas de decisão e no planejamento.

• Aprimorar o sistema de indicadores: o enfoque deve ser primeiro na melhoria e depois na medição, de forma que a medição esteja vinculada ao progresso.

• Reconhecer os esforços da pessoas que contribuíram na melhoria.

(Fonte: SINK & TUTTLE, 1993 apud TAKASHINA & FLORES, 1996, p. 67-68, adaptado) Com relação ao Quadro II.4, a fase 1 deve ser conduzida pela alta direção da organização, as fases 2 e 3 pela equipe de desenvolvimento do sistema, as fases 4 e 5 pelo órgão responsável pelo processo ou produto, e a fase 6 também pela alta direção do organização. Os indicadores devem ser cuidadosamente especificados, de forma a proporcionar dados e resultados confiáveis e assegurar a sua análise e o seu uso. A especificação, estabelecida nas fases 2 e 3 do processo de gestão dos indicadores, deve conter as seguintes informações:

• Abreviatura: sigla ou título simplificado do indicador; • Unidade de medida: por ex., proporção ou percentagem; • Periodicidade: freqüência da disponibilização dos dados ou resultados;

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• Revisão: data da última atualização do indicador; • Tipo-chave: classificação segundo os grupos de indicadores; • Arquivo: local de armazenamento dos dados ou resultados; • Título: nome por extenso do indicador; • Definição: método de cálculo do indicador; • Origem: como foi gerado o indicador; • Critério para estabelecimento de metas: por ex., desdobramento de

meta de nível superior; • Referenciais de comparação: por ex., melhor concorrente, média do

ramo, referencial de excelência; • Fonte: fonte dos dados ou resultados (pessoa, órgão ou sistema); • Metodologia de medição: metodologia adotada para coleta e

processamento dos dados ou resultados; • Metodologia de análise: metodologia adotada para análise dos dados ou

resultados; • Metodologia de uso: metodologia adotada para uso dos dados ou

resultados (análise crítica, tomada de decisão, revisão do planejamento); • Público alvo: pessoas ou órgãos que utilizam os dados e resultados; • Responsável: pessoa ou órgão responsável pelo produto ou processo;

II.2.2 Conceitos sobre indicadores Barcellos (2002), Amaral (2003) e Martins (2006) revisaram aspectos importantes sobre indicadores em geral. Barcellos (2002) considera que o processo de produção e avaliação de indicadores e índices evolui no sentido de sua inserção nos processos de decisão, o que resulta em ampliação e diversificação de sua demanda. Para Martins (2006) um indicador é uma ferramenta que permite conhecer sobre uma determinada realidade, tendo como principal característica a capacidade de síntese de um conjunto complexo de informações, retendo apenas o significado essencial dos aspectos analisados. O IBGE (2008) conceitua indicadores como ferramentas constituídas por uma ou mais variáveis que, associadas através de diversas formas, revelam significados mais amplos sobre os fenômenos a que se referem. Almeida (1999 apud MARTINS, 2006) considera que um indicador é apenas uma medida e não um instrumento de previsão ou uma medida estatística definitiva, nem uma evidência de causalidade; o indicador apenas constata uma dada situação. Bellen (2005 apud MARTINS, 2006) relata que o indicador deixa mais perceptível uma tendência ou fenômeno que não seja imediatamente detectável.

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Martins (2006) enumera com base em Almeida (1999) as características de um indicador ao atuar como instrumento: fácil aplicação, custo adequado, tempo adequado e viabilidade para efetuar a medida. A eficiência de um indicador depende da extensão do enfoque no usuário que ele possui, na medida em que o usuário é o principal interessado nos resultados retratados pelo indicador. Martins (2006) relata os objetivos da avaliação feita por indicadores:

• A quantificação de fenômenos complexos; • A simplificação dos mecanismos e lógicas atuantes na área

considerada; • A determinação de como as ações humanas estão afetando seu

entorno; • Alertar para situações de risco e conseqüente mobilização dos atores

envolvidos; • Prever situações futuras, de acordo com um exercício de abstração feito

pelo observador com base em sua experiência própria; • Informar e guiar decisões políticas.

Amaral (2003) apresenta o seguinte conceito para indicadores:

“parâmetro ou valor derivado de parâmetros, que aponta ou fornece informação sobre o estado do fenômeno, meio ou área com uma significância estendida maior que a obtida diretamente pela observação das propriedades “ (WETERINGS, 1994 apud AMARAL, 2003, p. 16),

e para sistemas de indicadores: “conjunto de indicadores que satisfazem certos princípios” (AMARAL, 2003, p. 16). Para Adriaanse (1993 apud BARCELLOS, 2002) um indicador deve ter a capacidade de tornar perceptível um fenômeno que não é detectável naturalmente, pelo menos de imediato, sendo distinto de um dado estatístico ou primário, embora possa ser apresentado de forma gráfica ou estatística. Martins (2006) relata alguns critérios de seleção de indicadores a fim de que a seleção defina indicadores que reflitam os dados na forma original de maneira mais clara:

• Existência de base de dados; • Possibilidade de comparação com critérios legais; • Facilidade e rapidez de determinação e interpretação; • Grau de importância e validação científica; • Sensibilidade do público alvo; • Possibilidade de ser rapidamente atualizado.

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II.2.3 Indicadores ambientais O Dicionário Brasileiro de Ciências Ambientais define Indicador ou Índice de Desempenho Ambiental como:

“Fator representativo da eficiência ambiental de uma organização, isto é, indicativo da redução por parte da organização, direta ou indiretamente, de seu impacto ambiental (por ex., massa de poluente/unidade de produto)” (LIMA-e-SILVA et al., p. 132).

Índices ambientais constituem o resultado da combinação de um conjunto de parâmetros ou indicadores que, agregados ou ponderados, descrevem uma situação (OECD, 1993 apud BARCELLOS, 2002). Machado (2003) apresenta as seguintes definições para indicadores ambientais:

“Em ciências ambientais, indicador é um parâmetro ou valor derivado de um parâmetro, que indica, fornece informação ou descreve um fenômeno, a qualidade ambiental, ou uma área, significando porém mais do que aquilo que se associa diretamente ao referido parâmetro (ou valor)” (OECD, 1993 apud MACHADO, 2003). “Indicadores de pressão ambiental são aqueles que descrevem as pressões que as atividades humanas exercem sobre o meio ambiente, inclusive a quantidade e a qualidade dos recursos naturais” (OECD, 1993 apud MACHADO, 2003).

Barcellos (2002) entende os indicadores e os índices ambientais como um tipo de informação que auxilia na explicação de como os fenômenos se alteram ou sofrem mudanças ao longo do tempo. Adicionalmente, disponibilizam um tipo de informação que mensura as alterações de um dado processo, objeto de avaliação, possibilitando identificar as tendências. Amaral (2003) classifica os indicadores ambientais em descritivos e normativos. Os indicadores descritivos refletem as condições reais, como o estado do meio ambiente ou a pressão sobre o meio ambiente. Os indicadores normativos medem as distâncias entre as condições reais e as de referência, ou compara as condições reais com as condições de referência. Um indicador ou um índice ambiental contam uma estória por serem derivados de medidas das variações ambientais em relação a uma meta ambiental, econômica e/ou social, representando mais do que um conjunto de estatísticas (BARCELLOS, 2002).

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Em conseqüência, segundo Tolmasquim (1995 apud BARCELLOS, 2002), os indicadores ambientais requerem para sua elaboração um quadro referencial/conceitual bastante específico. De acordo com Winograd (1995 apud BARCELLOS, 2002), indicadores apenas de caráter físico podem ser elaborados, dependendo da escala de sustentabilidade enfocada. Do ponto de vista das interações entre ecossistemas e as atividades humanas, os indicadores refletem os aspectos físicos e os aspectos tecnológicos, permitindo avaliações qualitativa e quantitativa do meio. Conforme Teixeira (1997, apud BARCELLOS, 2002), os indicadores e os índices ambientais situam-se no topo da pirâmide de informações que tem a base formada pelos dados primários derivados do processo de monitoramento (Figura II.6).

Figura II.6 – Pirâmide de informações (Fonte: HAMMO ND, 1993 apud TEIXEIRA,1997 apud BARCELLOS, 2002, p. 87) Segundo Tolmasquim (1996 apud BARCELLOS, 2002) grande parte dos indicadores podem ser obtidos através de agregações de dados primários. Porém, esta condição não é um requerimento para todos os indicadores, já que muitos indicadores importantes de sustentabilidade ambiental são obtidos de maneira diversa. Para Adriaanse (1993 apud BARCELLOS, 2002), as principais funções de um indicador são: simplificação , quantificação , análise e comunicação . Um indicador ambiental deve, então, fornecer informação concisa, ou seja, condensada ou agregada; a sua mensagem central deve ser transmitida de forma clara e sem ambigüidades, mantendo a credibilidade científica. Ainda de acordo com Adriaanse (1993 apud BARCELLOS, 2002) existem duas categorias de indicadores ambientais:

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• Descritivos : relacionados à descrição do estado do ambiente ou do recurso monitorado, os quais adquirem significados pela comparação da avaliação realizada com padrões definidos para uma determinada situação.

• De desempenho : além da avaliação de uma certa situação, há um valor de julgamento pela comparação da situação com um padrão explícito, isto é, a meta política definida que serve como valor de referência, expressos ambos, a descrição da situação e o valor de referência, em uma mesma unidade.

Indicadores do tipo descritivo, baseados em dados científicos ou oficiais, podendo ser estatísticas ou combinações simples de informações, são usados para a identificação dos problemas prioritários, sintetizando um conjunto de situações e medidas individuais para cada tipo de problema. Indicadores de desempenho, escolhidos a partir dos valores de referência adotados, são usados na etapa final do processo de tomada de decisão para a avaliação da efetividade e do impacto das políticas, estratégias e ações que foram desenvolvidas (ADRIAANSE, 1993 apud BARCELLOS, 2002). Conforme Teixeira (1997 apud BARCELLOS, 2002) a eficácia esperada do uso de indicadores ambientais na gestão do meio ambiente depende de:

• Número de indicadores definidos, que deve ser limitado; • Representatividade dos aspectos considerados pertinentes ( problemas

ambientais, recursos naturais, etc.) de acordo com os objetivos da política de meio ambiente e metas de estratégia nacional de gestão ambiental do país.

A OECD (1993, apud BARCELLOS, 2002) classifica em três categorias a natureza dos indicadores ambientais:

1. Indicadores das pressões sobre o ambiente : relatam pressões decorrentes de atividades setoriais;

2. Indicadores das condições ambientais : relatam a qualidade ambiental, a qualidade e quantidade dos recursos naturais;

3. Indicadores das respostas da sociedade : em níveis setorial, nacional e internacional.

Na mesma classificação, são definidas quatro categorias ou situações em que se aplica o uso de indicadores ambientais:

1. Integração das questões ambientais com as políticas setoriais; 2. Mensuração do desempenho ambiental; 3. Integração das questões econômicas e ambientais no processo de

decisão; 4. Relatório sobre o estado do meio ambiente.

Segundo Barcellos (2002) os indicadores ambientais só são aplicáveis às áreas ou temas que permitam uma quantificação, com um bom grau de precisão, e agregação dos dados, inclusive para tratamento estatístico. A seleção de

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tópicos e de parâmetros a serem medidos deve ser cuidadosa de forma a evitar “leituras tendenciosas”. A OECD (1993, apud BARCELLOS, 2002) propõe indicadores com relação ao impacto ambiental, ao estado do meio ambiente e à resposta da sociedade. II.2.4 Indicadores de desenvolvimento sustentável e de sustentabilidade Torna-se primeiramente importante ressaltar que as ambigüidades existentes entre os termos desenvolvimento sustentável e sustentabilidade se estendem às discussões sobre indicadores. A discussão neste item apresentará a discussão tal como ela foi acessada na literatura disponível. Segundo IBGE (2008):

“Um dos desafios da construção do desenvolvimento sustentável é o de criar instrumentos de mensuração, tais como indicadores de desenvolvimento. Indicadores são ferramentas constituídas por uma ou mais variáveis que, associadas através de diversas formas, revelam significados mais amplos sobre os fenômenos a que se referem. Indicadores de desenvolvimento sustentável são instrumentos essenciais para guiar a ação e subsidiar o acompanhamento e a avaliação do progresso alcançado rumo ao desenvolvimento sustentável. Devem ser vistos como um meio para se atingir o desenvolvimento sustentável e não como um fim em si mesmos. Valem mais pelo que apontam do que pelo seu valor absoluto e são mais úteis quando analisados em seu conjunto do que o exame individual de cada indicador” (IBGE, 2008, Introdução),

e

“A conquista do desenvolvimento sustentável, atualmente uma aspiração de abrangência global, toma feições concretas em cada país: nasce de suas peculiaridades e responde aos problemas e oportunidades de cada nação. A escolha de Indicadores de Desenvolvimento Sustentável reflete as situações e especificidades de cada país, apontando ao mesmo tempo para a necessidade de produção regular de estatísticas sobre os temas abordados” (IBGE, 2008, Introdução).

Amaral (2003) e Martins (2006) revisaram extensivamente sistemas de indicadores de desenvolvimento sustentável e de sustentabilidade. Amaral (2003) apresenta revisões para indicadores de desenvolvimento sustentável e para indicadores de sustentabilidade empresarial.

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Martins (2006) apresenta revisões para indicadores de sustentabilidade para os setores público e privado. A autora cita que Bellen (2005) afirma que os indicadores de sustentabilidade são instrumentos imperfeitos e de aplicação não universal, tornando-se necessário conhecer as especificidades dos diferentes sistemas, suas características e aplicações. A própria autora reconhece que refletir a interação homem – meio ambiente através de sistemas de indicadores é tarefa complexa, sendo difícil se encontrar índices que vislumbrem essa complexidade e sejam de fácil entendimento. II.2.4.1 Indicadores gerais de desenvolvimento sust entável. Segundo Zhao (1999 apud Amaral, 2003) indicadores de sustentabilidade medem a distância entre o impacto ambiental real e aquilo que a biosfera pode aceitar. Segundo Amaral (2003), um sistema de indicadores de desenvolvimento sustentável normalmente considera indicadores ambientais, econômicos e sociais. Amaral (2003) informa os seguintes exemplos de sistemas de indicadores de desenvolvimento sustentável gerais e abrangentes possíveis de serem usados pelas organizações:

• Indicadores do Banco Mundial relatados em seu “World Development Report”;

• Lista de indicadores ambientais e sociais da OECD; • Listas de indicadores de desenvolvimento sustentável da ONU (Lista da

Comissão de Desenvolvimento Sustentável da ONU (UNCSD, 1996) e lista do trabalho “Estrutura e metodologia para criação de indicadores de desenvolvimento sustentável”, também da ONU);

• Indicadores globais de desenvolvimento sustentável elaborados pelo governo do Reino Unido (HSMO, 1996).

Quanto ao setor público, Martins (2006) frisa a necessidade de elaboração de um índice que vislumbre os aspectos de desenvolvimento sustentável, ainda inexistente. Segundo a autora, os capítulos 8 e 40 da Agenda 21 explicitam a necessidade de criação de indicadores sobre desenvolvimento sustentável. Estes capítulos tratam da relação entre meio ambiente, desenvolvimento sustentável e informações para a tomada de decisões. A Agenda 21 foi o documento aprovado por mais de 180 países durante a realização da Conferência das Nações Unidas sobre Meio ambiente e Desenvolvimento, realizada no Rio de Janeiro em 1992. O trabalho de construção de Indicadores de Desenvolvimento Sustentável é liderado pela CDS – Comissão para o Desenvolvimento Sustentável da Nações Unidas (United Nations Commission on Sustainable Development – UNCSD).

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Martins (2006) frisa como relevantes para o setor público os Indicadores de Desenvolvimento Sustentável do IBGE (sistema brasileiro), o Environmental Sustainability Índex (Índice de Sustentabilidade Ambiental), o Painel de Controle da Sustentabilidade (Dashboard of Sustainability), e a Pegada Ecológica (Ecological Footprint Method), revisando extensivamente cada um deles. O IBGE produziu em 2008 (versão atualizada dos trabalhos publicados em 2002 e 2004) o trabalho “Indicadores de Desenvolvimento Sustentável: Brasil 2008” (IBGE, 2008), que disponibiliza um sistema de informações para o acompanhamento da sustentabilidade do padrão de desenvolvimento do País. A concepção norteadora do trabalho é a de limitar-se a um conjunto de indicadores capazes de expressar as diferentes facetas de abordagem de sustentabilidade da forma mais concisa possível. A apresentação dos indicadores segue o marco ordenador proposto pela Comissão de Desenvolvimento Sustentável – CDS, das Nações Unidas, que os organiza em quatro dimensões: Ambiental, Social, Econômica e Institucional (IBGE, 2008, Introdução). A dimensão ambiental dos indicadores de desenvolvimento sustentável diz respeito ao uso de recursos naturais e à degradação ambiental, e está relacionada aos objetivos de preservação e conservação do meio ambiente, considerados fundamentais ao benefício das gerações futuras. Estas questões aparecem organizadas nos temas atmosfera; terra; água doce; oceanos; mares e áreas costeiras; biodiversidade e saneamento (IBGE, 2008, Introdução). São 23 os indicadores agregados sob a dimensão ambiental, explicitados no Quadro II.5.

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Quadro II.5 – Dimensão Ambiental dos Indicadores de Desenvolvimento Sustentável do IBGE

Tema Indicador Atmosfera 1. Emissões de origem antrópica dos gases

associados ao efeito estufa 2. Consumo industrial de substâncias

destruidoras da camada de ozônio 3. Concentração de poluentes no ar em áreas

urbanas Terra 4. Uso de fertilizantes

5. Uso de agrotóxicos 6. Terras em uso agrossilvipastoril 7. Queimadas e incêndios florestais 8. Desflorestamento da Amazônia Legal 9. Área remanescente desflorestamento na Mata

Atlântica e nas formações vegetais litorâneas 10. Desertificação e arenização

Água doce 11. Qualidade de águas interiores

Oceanos, mares e áreas costeiras 12. Balneabilidade 13. Produção de pescado marítima e continental 14. População residente em áreas costeiras

Biodiversidade 15. Espécies extintas e ameaçadas de extinção 16. Áreas protegidas 17. Tráfico, criação e comércio de animais

silvestres 18. Espécies invasoras.

Saneamento 19. Acesso a serviço de coleta de lixo doméstico 20. Destinação final do lixo 21. Acesso a sistema de abastecimento de água 22. Acesso a esgotamento sanitário 23. Tratamento de esgoto

(Fonte: IBGE, 2008, adaptado) A dimensão social dos indicadores de desenvolvimento sustentável corresponde, especialmente, aos objetivos ligados à satisfação das necessidades humanas, melhoria da qualidade de vida e justiça social. Os indicadores incluídos nesta dimensão abrangem os temas população; trabalho e rendimento; saúde; educação; habitação e segurança, e procuram retratar o nível educacional, a distribuição da renda, as questões ligadas à eqüidade e às condições de vida da população, apontando o sentido de sua evolução recente. A questão da eqüidade é contemplada em indicadores de vários temas que, com a finalidade de explicitar as desigualdades, são desagregados segundo sexo e cor ou raça. (IBGE, 2008, Introdução). São 19 os indicadores agregados na dimensão social, demonstrados no quadro II.6.

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Quadro II.6 – Dimensão Social dos Indicadores de De senvolvimento Sustentável do IBGE

Tema Indicador População 24. Taxa de crescimento da população

25. Taxa de fecundidade 26. População e terras indígenas

Trabalho e rendimento 27. Índice de Gini da distribuição do rendimento 28. Taxa de desocupação 29. Rendimento familiar per capita 30. Rendimento médio mensal

Saúde 31. Esperança de vida ao nascer 32. Taxa de mortalidade infantil 33. Prevalência de desnutrição total 34. Imunização contra doenças infecciosas infantis 35. Oferta de serviços básicos de saúde 36. Doenças relacionadas ao saneamento

ambiental inadequado Educação 37. Taxa de escolarização

38. Taxa de alfabetização 39. Escolaridade

Habitação 40. Adequação de moradia

Segurança 41. Coeficiente de mortalidade por homicídios 42. Coeficiente de mortalidade por acidentes de

transporte (Fonte: IBGE, 2008, adaptado) A dimensão econômica dos indicadores de desenvolvimento sustentável trata de desempenho macroeconômico e financeiro do País e dos impactos no consumo de recursos materiais, na produção e gerenciamento de resíduos e uso de energia. É a dimensão que se ocupa da eficiência dos processos produtivos e com as alterações nas estruturas de consumo orientadas a uma reprodução econômica sustentável a longo prazo. Os diferentes aspectos da dimensão econômica do desenvolvimento sustentável são organizados nos temas quadro econômico e padrões de produção e consumo (IBGE, 2008, Introdução). Esta dimensão agrega 12 indicadores, relacionados no Quadro II.7. Quadro II.7 – Dimensão Econômica dos Indicadores de Desenvolvimento Sustentável do IBGE

Tema Indicador Quadro econômico 43. Produto interno bruto per capita

44. Taxa de investimento 45. Balança comercial 46. Grau de endividamento

Padrões de produção e consumo 47. Consumo de energia per capita 48. Intensidade energética 49. Participação de fontes renováveis na oferta de

energia 50. Consumo mineral per capita 51. Vida útil das reservas minerais 52. Reciclagem 53. Coleta seletiva de lixo 54. Rejeitos radioativos: geração e

armazenamento (Fonte: IBGE, 2008, adaptado) A dimensão institucional diz respeito à orientação política, capacidade e esforço despendido por governos e pela sociedade na implementação das mudanças requeridas para uma efetiva implementação do desenvolvimento sustentável. Esta dimensão aborda temas de difícil conceituação e mensuração, carecendo de mais estudos para o seu aprimoramento. Esta

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dimensão é desdobrada nos temas Quadro Institucional e Capacidade Institucional e apresenta cinco indicadores. É no tema Capacidade Institucional que figura o indicador que sintetiza o investimento em ciência e novas tecnologias de processos e produtos e o indicador que expressa especificamente a atuação do Poder Público na proteção do ambiente, elementos chaves na busca de alternativas que conduzam ao desenvolvimento sustentável (IBGE, 2008, Introdução). Esta dimensão agrega 6 indicadores, mostrados no Quadro II.8. Quadro II.8 – Dimensão Institucional dos Indicadore s de Desenvolvimento Sustentável

Tema Indicador Quadro Institucional 55. Ratificação de acordos globais

56. Existência de conselhos municipais Capacidade institucional 57. Gastos com Pesquisa e Desenvolvimento –

P&D 58. Gasto público com proteção ao meio ambiente 59. Acesso aos serviços de telefonia 60. Acesso à internet

(Fonte: IBGE, 2008, adaptado) De acordo com Martins (2006), o Environmental Sustainability Índex ou Índice de Sustentabilidade Ambiental – ISA, criado em 2002 pelas universidades de Yale e Columbia dos EUA, tem como objetivo central comparar a habilidade de países na proteção do seu meio ambiente não apenas no tempo presente, mas também para as próximas décadas. O ISA em sua versão 2005 foi criado a partir da integração de 76 variáveis em 21 indicadores de sustentabilidade ambiental que resultam num índice que varia de 0 a 100, sendo 100 o melhor cenário. Na versão 2005 o índice foi calculado para 146 países. Martins (2006) revisa extensivamente a composição e o método de cálculo do índice ISA. Segundo Martins (2006) o ISA foi desenvolvido com o propósito de servir como instrumento de auxílio à tomada de decisão, por exemplo, pelos governos, em questões referentes à questão ambiental das nações. O ISA poderia funcionar como uma alternativa ao PIB e ao IDH – índice de Desenvolvimento Humano,na avaliação do progresso de um país ou complementando os dois índices na ótica ambiental. Por agregar várias dimensões (social, econômica, política, ambiental) o ISA permite representar num único índice a situação de um país em termos de suas instituições e de vida do ser humano (MARTINS, 2006). O Painel de Controle da Sustentabilidade (Dashboard of Sustainability) é, conforme Bellen (2005 apud MARTINS (2006), uma ferramenta desenvolvida pelo Consultative Group on Sustainable Development Índices (CGSDI), grupo consultivo que tem como missão promover a cooperação, coordenação e estratégias entre indivíduos que trabalham no desenvolvimento e utilização de indicadores de desenvolvimento sustentável. Segundo Bellen (2004 apud MARTINS, 2006) o Painel de Controle da Sustentabilidade é um índice agregado de vários indicadores dentro de cada um dos segmentos do mostrador do painel. A partir do cálculo desses índices obtém-se um resultado final em cada mostrador.

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O painel utiliza quatro dimensões para o cálculo de Índice de Sustentabilidade Geral: ecológica, econômica, social e institucional. O Índice de Sustentabilidade Geral é representado por um sistema de pontos de 1 (pior caso) até 1.000 ( melhor caso). A situação do país é indicada por cores em cada dimensão de um determinado país (MARTINS, 2006). O instrumento tem o propósito de identificar os pontos fortes e fracos de um país, região, município, etc, em comparação com outros (BELLEN, 2005 apud MARTINS, 2006). De acordo com Bellen (2005 apud MARTINS, 2006) as dimensões devem abranger as seguintes questões:

• Meio ambiente: qualidade da água, ar e solo, níveis de lixo tóxico; • Economia: emprego, investimentos, produtividade, distribuição de

receitas, competitividade, inflação e utilização eficiente de materiais e energia;

• Sociedade: saúde, violência, pobreza, educação, governança, gastos militares, cooperação internacional;

• Institucional: cooperação internacional, ciência e tecnologia, monitoramento do desenvolvimento sustentável local.

O Quadro II.9 apresenta os indicadores de fluxo e estoque utilizados nesse painel.

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Quadro II.9 – Indicadores de fluxo e estoque do Das hboard of Sustainability Dimensão Ecológica Mudança climática

Depleção da camada de ozônio Qualidade do ar Agricultura Florestas Desertificação Urbanização Zona costeira Pesca Quantidade de água Qualidade da água Ecossistema Espécies

Dimensão Social Índice de pobreza Igualdade de gênero Padrão nutricional Saúde Mortalidade Condições sanitárias Água potável Nível educacional Alfabetização Moradia Violência População

Dimensão Econômica Desempenho econômico Comércio Estado financeiro Consumo de materiais Consumo de energia Geração e gestão de lixo Transporte

Dimensão Institucional Implementação estratégica do desenvolvimento sustentável Cooperação internacional Acesso à informação Infra-estrutura de comunicação Ciência e tecnologia Desastres naturais – preparo e resposta Monitoramento do desenvolvimento sustentável

(Fonte: BELLEN, 2005 apud MARTINS, 2006, p. 87) O método da Pegada Ecológica (Ecological Footprint Method), criado em 1996, procura representar o espaço ecológico correspondente para sustentar um determinado sistema. Os seus autores defendem que devido a natureza ser finita, ela não suportará o crescimento ilimitado da economia. Por definição, a pegada ecológica é a área de ecossistema necessária para assegurar a sobrevivência de uma determinada população ou sistema, fornecendo energia, recursos naturais e capacidade de absorver resíduos ou dejetos do sistema. A metodologia contabiliza o fluxo de matéria e energia que entra e sai de um sistema econômico podendo ser do local ao global. Esse fluxo é convertido em área de terra (hectare) existente na natureza para suportar tal sistema (o resultado, ou pegada, é expresso em hectares per capita). A pegada ecológica tem como objetivo objetivo calcular a área necessária para uma população de um sistema para que ela se mantenha indefinidamente. As aproximações são todas baseadas nas emissões de gás carbônico facilitando a migração para a estimativa de área de floresta a ser utilizada (MARTINS, 2006).

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II.2.4.2 Indicadores de sustentabilidade empresaria l Amaral (2003) enfatiza que o nível de sustentabilidade de empresas está começando a ser estudado e medido no mundo. Os três componentes do desenvolvimento sustentável: o ambiental, o econômico e o social têm começado a ser avaliados pelas empresas que são mais pró-ativas. Segundo o autor, a sustentabilidade empresarial pretende avaliar as dimensões ambiental, social e econômica no nível da organização. As empresas pró-ativas devem planejar suas atividades de uma maneira sustentável, não pensando apenas em cumprir as leis ambientais. Segundo Amaral (2003) a implementação do conceito de desenvolvimento sustentável demanda das empresas ações de proteção e conservação ambiental, bem como ações de responsabilidade com a comunidade afetada direta ou indiretamente por suas atividades, produtos ou serviços. Adicionalmente, a empresa deve se manter lucrativa e agregar valor na economia do país no qual a organização está desenvolvendo seus negócios. Amaral (2003) cita duas abordagens para a questão da sustentabilidade nas empresas. Primeiramente, pode ser priorizado o investimento em projetos e processos que consumam menos recursos materiais e energéticos, que poluam menos e que utilizem tecnologias mais limpas. Adicionalmente, pode ser intensificado o relacionamento transparente com autoridades governamentais, ONGs, associações de classe e comunidades, com o objetivo de obter impactos sócio-econômicos positivos no local onde desenvolvem suas atividades. Amaral (2003) citando Beaver e Bellof (2000) informa que existe carência de medidas e indicadores amplamente aceitos para que uma companhia industrial ou setor comercial avaliem seu desempenho relativo a praticas de sustentabilidade empresarial. Os autores citados afirmam que os indicadores de sustentabilidade empresarial devem levar em consideração intensidade de material, intensidade de energia, consumo de recursos e dispersão de poluentes. Estas medidas sozinhas não são indicadores, devendo por isso ser avaliadas sob óticas de representatividade nos custos da companhia e de agregação de valor aos negócios da empresa. Para Beaver e Bellof (2000 apud Amaral, 2003) indicadores de sustentabilidade empresarial devem ser:

• Simples de usar e fáceis de serem entendidos; • Complementares a programas de acompanhamento legais existentes; • Fáceis de serem coletados e a custo viável; • Úteis como ferramenta de gestão.

Segundo Amaral (2003) organizações como o WBCSD (World Business Council for Sustainable Development) e o CEBDS (Conselho Empresarial Brasileiro para o Desenvolvimento Sustentável) têm apresentado e implementado programas e indicadores voltados à melhoria da eco-eficiência,

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conceito que combina melhoria nos desempenhos ambiental e econômico das empresas, de modo a elevar o valor agregado dos produtos e produzir menores impactos ambientais. Segundo Amaral (2003) a abordagem da eco-eficiência enfoca a utilização adequada de recursos materiais e energéticos, com o sentido de se reduzir custos e maximizar lucros. Amaral (2003) relata também a existência do índice “Dow Jones Sustainability Group Índex”, criado em 1998 pelo Instituto Dow Jones e baseado no desempenho de companhias líderes em sustentabilidade. Ainda Amaral (2003) informa que a norma ISO 14031 – Avaliação de Desempenho Ambiental (ISO, 1999 apud Amaral, 2003), embora não seja específica para indicadores de sustentabilidade, é um bom guia para seleção de indicadores ambientais em organizações. Os indicadores podem ser gerenciais, operacionais e de condições ambientais. Esta norma baseia-se na abordagem do PDCA (Plan; Do; Check; Act) segundo os passos:

• Planejar e selecionar os indicadores; • Coletar, analisar, comunicar e relatar os dados; • Revisar e melhorar o desempenho ambiental da organização.

A norma ISO 14031 permite identificar aspectos e impactos ambientais, características dos indicadores ambientais, exemplos de como uma organização pode estabelecer indicadores, exemplos de indicadores gerenciais, operacionais e de condições ambientais, além de outros vários aspectos relacionados ao desempenho ambiental da organização. Com respeito a indicadores de sustentabilidade do setor privado, Martins (2006) cita como exemplo o GRI (Global Reporting Iniciative), que é um relatório sobre sustentabilidade nas empresas que trabalha com noventa e sete (97) indicadores, dos quais cinqüenta (50) são considerados essenciais e quarenta e sete (47) adicionais. Segundo Amaral (2003) a publicação “Sustainability Reporting Guidelines on Economic, Environmental and Social Performance” (GRI, 2000) apresenta diretrizes gerais para que as organizações possam reportar de uma maneira padronizada suas práticas voltadas para a sustentabilidade. Esta publicação preconiza que devem ser incluídos no Sumário Executivo e na Descrição dos Indicadores Principais Utilizados pela Organização no mínimo :

• Indicadores gerais e específicos de desempenho ambiental; • Indicadores de desempenho econômico; • Indicadores de desempenho social; • Indicadores integrados de desempenho.

Amaral (2003) apresenta uma lista com todos os indicadores apresentados na publicação GRI (2000). Martins (2006) cita também o uso do Dow Jones Sustainability Índex, da Bolsa de Nova Iorque, ressaltando que seus parâmetros não são totalmente conhecidos.

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Adicionalmente, a autora informa que o Instituto Ethos, brasileiro, elaborou indicadores que se preocupam com o aspecto da sustentabilidade dentro das empresas.

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III. SEGUNDO REFERENCIAL TEÓRICO – FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA Este capítulo foi desenvolvido utilizando como textos de referência KOTAS (1985), BEJAN et al. (1996), MORAN & SHAPIRO (2002) GOLDEMBERG & VILLANUEVA (2003), HINRICHS & KLEINBACH (2003), MARQUES et al. (2006) e DINCER & ROSEN (2007). O objetivo deste capítulo foi o de subsidiar a análise da literatura versando sobre exergia e suas aplicações. A abordagem foi enfocada em três partes, Energia, Termodinâmica e Exergia, para melhor evidenciar as particularidades dos termos energia, entropia e exergia, termos centrais desta revisão teórica. A necessidade de revisão desses conceitos básicos está relacionada à complexidade do assunto, suportado por um arcabouço de definições e conceitos físico-químicos interligados, e à terminologia particular utilizada nesse campo de estudos. É feita uma revisão básica dos conceitos gerais associados à energia e das leis básicas da termodinâmica com ênfase na Segunda Lei, que é introduzida através do Postulado de Entropia, o qual permite formular o conceito de produção de entropia, que é requerido como um conceito subsidiário no desenvolvimento subseqüente das relações básicas de exergia. III.1 Energia Os conceitos de energia, entropia e exergia derivam-se da termodinâmica e são aplicáveis a todos os campos da ciência e da engenharia. A termodinâmica desempenha um papel central na análise de processos, sistemas e dispositivos em que transferências e transformações de energia ocorrem. A energia se manifesta sob muitas formas. A maioria de nossas atividades diárias envolve transferência e transformação de energia. O corpo humano é um exemplo de um sistema biológico em que energia química dos alimentos ou a gordura corporal é transformada em outros tipos de energia, tais como calor e trabalho. As aplicações da energia na engenharia são muito vastas e incluem plantas de potência para gerar eletricidade, motores para mover automóveis e aviões, sistemas de refrigeração e ar condicionado, por exemplo. Vários exemplos de sistemas de engenharia envolvendo aplicações e transformações de energia são citados por Dincer & Rosen (2007).

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Por tal diversidade, o campo dos estudos energéticos é bastante vasto, cobrindo desde os recursos naturais até as modernas tecnologias, permitindo abordagens considerando apenas os aspectos técnicos ou envolvendo componentes sócio-econômicos e ambientais, inclusive quanto a sua evolução histórica e suas perspectivas futuras. A palavra energia suporta muitos sentidos e definições. Modernamente, energia corresponde essencialmente a um conceito desenvolvido a partir de meados do Século XIX, tendo sido criado juntamente com a termodinâmica e utilizado atualmente para descrever uma ampla variedade de fenômenos físicos. A definição mais usual afirma que “energia é a medida da capacidade de efetuar trabalho”. A rigor, esta definição não é totalmente correta e aplica-se apenas a alguns tipos de energia, como a mecânica e a elétrica, que, em princípio, são totalmente conversíveis em outras formas de energia. Este modo de se definir energia perde o sentido ao ser aplicado ao calor, pois esta forma de energia é apenas parcialmente conversível em trabalho, especialmente em temperaturas próximas à do ambiente. Portanto, essa definição não é completa. A definição proposta por Maxwell (1831–1879) em 1872 pode ser considerada mais correta que a anterior: “energia é aquilo que permite uma mudança na configuração de um sistema, em oposição a uma força que resiste a esta mudança”. Esta definição refere-se a mudanças de condição, a alterações do estado de um sistema e inclui duas idéias importantes: as modificações de estado implicam em vencer resistências e é justamente a energia que permite obter estas modificações de estado. Qualquer processo que se associe a alguma mudança implica em se ter fluxos energéticos. Porém, mais importante do que definir energia, é sentir e perceber sua existência, como a causa e origem primeira de todas as mudanças. Boa parte das leis físicas que governam o mundo natural são no fundo variantes das leis básicas dos fluxos energéticos, as leis de conservação e dissipação de energia, que estruturam todo o Universo. Energia é uma quantidade escalar que não pode ser observada diretamente, mas pode ser avaliada por medidas indiretas. O valor absoluto da energia de um sistema é difícil de ser mensurado, mas a variação de energia do sistema pode ser facilmente avaliada. A energia, entendida como a capacidade de promover mudanças de estado, pode apresentar-se fisicamente de várias formas. De uma maneira geral, um potencial energético corresponde sempre ao produto entre uma variável extensiva, cujo módulo depende da quantidade considerada, e uma variável de desequilíbrio, expressando uma disponibilidade de conversão entre formas energéticas. Apenas nos processos de conversão se identifica a existência de energia, que, então, se apresenta, na fronteira do sistema, como calor ou como trabalho. Calor pode ser definido como o fluxo energético decorrente de diferença de temperatura.

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Por trabalho entende-se todo processo análogo à elevação de um peso. O trabalho corresponde a uma variação ordenada de energia, enquanto o calor apresenta-se desordenado. As principais formas de energia podem ser enumeradas: energia nuclear, energia atômica, energia química, energia elétrica, energia térmica, e energia mecânica. Marques et al. (2006) caracteriza cada uma destas formas de energia. Energia sempre existirá sempre que houver possibilidade de promover alguma mudança de estado. Sempre que existir algo em transformação, crescendo ou diminuindo, mudando de aspecto ou de condição, existirão fluxos energéticos se manifestando. A energia manifesta-se de várias formas, que podem ser internas ou transientes. Energia pode ser convertida de uma forma para outra. Em análise termodinâmica as formas de energia podem ser classificadas em dois grupos: macroscópicas e microscópicas. As formas macroscópicas de energia são aquelas que um sistema global possui em relação a um sistema de referência, por ex. energia cinética e potencial. A energia macroscópica de um sistema está relacionada ao movimento e à influência de efeitos externos tais como gravidade, magnetismo, eletricidade e tensão superficial. A energia cinética de um sistema é um resultado de seu movimento com relação a um dado sistema de referência. Esta forma de energia é conseqüência do movimento global, translacional ou rotacional, do sistema. A energia potencial de um sistema é a soma das energias potencial gravitacional, elétrica e magnética. A energia potencial gravitacional é conseqüência da elevação do sistema no campo gravitacional e é comumente chamada de energia potencial. As formas microscópicas de energia são aquelas relacionadas à estrutura molecular de um sistema e ao grau de atividade molecular do sistema, e são independentes de sistemas referenciais externos. A soma de todas as formas microscópicas de energia de um sistema é sua energia interna. A energia interna de um sistema depende das qualidades intrínsecas, ou propriedades, dos materiais que compõe o sistema, tais como composição e forma física, bem como das variáveis ambientais (temperatura, pressão, campo elétrico, campo magnético, etc.). A energia interna pode ter várias formas, incluindo mecânica, química, elétrica, magnética, superficial e térmica. A termodinâmica envolve o conceito de estados de equilíbrio e postula que a variação no valor de quantidades termodinâmicas, tais como a energia interna, entre dois estados de equilíbrio de um sistema não depende do caminho termodinâmico que o sistema executa para chegar de um estado a outro. A

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variação é definida apenas pelos estados de equilíbrio inicial e final do sistema. Conseqüentemente, a variação de energia interna de um sistema é determinada pelos parâmetros que especificam o seu estado inicial e final. Esses parâmetros incluem pressão, temperatura, campo magnético, área superficial, massa, etc. Se um sistema varia de um estado 1 a um estado 2, a variação de energia interna U∆ é )( 12 UU − , a energia interna no estado final menos a energia interna no estado inicial. A diferença não depende de como o sistema chega do estado 1 ao estado 2. Diz-se, então, que a energia interna é uma função de estado, ou função de ponto, isto é, apenas uma função do estado do sistema, e não de sua história. III.2 Eficiências energéticas Os potenciais energéticos – potenciais para a promoção de mudanças – tem como característica essencial a possibilidade de interconversão: uma forma energética eventualmente pode ser convertida em outra, de modo espontâneo ou intencional, permitindo neste último caso adequar-se a alguma utilização desejada. Pode-se falar, então, de “processos de geração de energia”. A Figura III.1 apresenta as principais formas de conversão entre seis formas básicas de energia. Pode-se observar que, enquanto alguns processos foram desenvolvidos e aperfeiçoados pelo homem, outros só são possíveis mediante processos naturais, como a conversão energética muscular e a fotossíntese. Também se observa nesta figura que os processos que resultam em energia térmica são bastante variados, e que a energia mecânica está envolvida em diversos processos tecnológicos.

Figura III.1 – Processos de conversão energética (F onte: Marques et al . (2006, p. 22)) Quaisquer que sejam os sistemas considerados e as formas de energia envolvidas, todos os processos de conversão energética são regidos por duas

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leis físicas fundamentais, que constituem a arcabouço essencial da ciência energética, e se sustentam apenas pela observação de processos reais desde o microcosmo até a escala das estrelas. A primeira lei básica é a Lei da Conservação da Energia, ou Primeira Lei da Termodinâmica. Segundo este postulado, energia não se cria nem se destrói. Nos casos em que ocorrem reações atômicas ou nucleares podem ser observadas transformações de massa em energia. Assim, pode ser mostrado que a soma da energia e da massa do universo é uma constante. Porém, na maioria das situações a dualidade massa-energia não precisa ser considerada. É então suficiente afirmar que, em um dado período de tempo, a somatória dos fluxos e estoques energéticos em um processo ou sistema é constante, ou seja,

∑∑ ∆+= sistemasaientra EEE

A aplicação desta lei pressupõe uma convenção de sinais para os fluxos energéticos. Uma situação que tem grande interesse prático é o processo em regime permanente, no qual não ocorrem variações no tempo e no qual não ocorrerão variações de estoque, sistemaE∆ . Neste modo de operação de um sistema – condição normal ou estável – a soma dos fluxos energéticos na entrada e na saída devem ser iguais. A Primeira Lei da Termodinâmica permite efetuar balanços energéticos, determinar perdas, quantificar fluxos energéticos. Baseado também nesta lei está o conceito de desempenho ou eficiência energética de um sistema energético, energéticaη , relacionando o efeito energético

útil com o consumo energético no sistema, como abaixo explicitado para um sistema em regime permanente (Figura III.2)

Figura III.2 – Sistema energético generalizado (Fon te: Marques et al . (2006, p. 23)) A eficiência energética ou desempenho para este sistema pode ser escrita como:

consumidaconsumida

consumida

consumida

útilenergética E

Perdas

E

PerdasE

E

E−=

−== 1η

53

No caso de equipamentos mecânicos como alavancas e roldanas, a eficiência é muito alta (próxima a 100%), já que a maioria das perdas ocorre apenas devido ao atrito, que pode se reduzido na maioria dos casos. Quando só está envolvido trabalho mecânico, a eficiência mecânica do uso da energia de um dado aparelho ou máquina mecânica (η ) pode ser definida como a razão da energia útil ou energia obtida ou trabalho realizado (W) pela energia consumida ou conteúdo energético da fonte de energia primária (Wconsumido) (GOLDEMBERG & VILLANUEVA, 2003, p. 36):

A outra relação física básica dos processos energéticos é a Lei da Dissipação da Energia. Segundo esta lei, em todos os processos reais de conversão energética sempre deve existir uma parcela de energia térmica como produto. Se o objetivo do processo for transformar energia mecânica em calor, tal conversão pode ser total. Porém, se o propósito for inverso, a conversão de energia térmica em energia mecânica será sempre parcial, pois uma parcela dos produtos deverá ser calor. Em outras palavras, existem perdas térmicas inevitáveis nos processos de conversão energética, que se somam às outras perdas inevitáveis decorrentes das limitações tecnológicas e econômicas dos sistemas reais, tais como isolamento térmico imperfeito, atrito, perdas de carga e inércias. Clausius (1822-1888) mostrou que as imperfeições nos processos de conversão energética determinam o incremento líquido de entropia no Universo. A entropia tende sempre a aumentar no mundo real, já que apenas os processos energéticos idealmente perfeitos ou reversíveis não geram entropia. Esta lei física, ou Segunda Lei da termodinâmica, é especialmente importante no estudo dos ciclos térmicos de potência, nos quais a conversibilidade dos fluxos de calor em energia mecânica depende da temperatura da fonte térmica, conforme a expressão do rendimento máximo das máquinas térmicas desenvolvida por Carnot (1796-1832):

1

21T

Treversível −=η

Nesta expressão, válida para máquinas térmicas reversíveis, T1 e T2 correspondem respectivamente às temperaturas absolutas das fontes térmica de alta e baixa temperatura, cuja existência é imprescindível para a produção de potência mecânica. Este rendimento é sempre inferior a 100%, elevando-se com a elevação de T1 e a redução de T2, indicando que os fluxos de calor apresentam um potencial de conversão em trabalho que depende das temperaturas envolvidas. Como o trabalho é sempre totalmente conversível em qualquer outra forma de energia e

consumidoW

W=η

54

o calor sempre mostra esta limitação, considera-se que aquelas energias diretamente conversíveis em trabalho são energias nobres, enquanto as energias térmicas correspondem a energias de baixa qualidade. III.3 TERMODINÂMICA Neste item são apresentados os princípios fundamentais de termodinâmica de engenharia. Utiliza-se o enfoque da termodinâmica clássica. A termodinâmica clássica refere-se à estrutura macroscópica da matéria, tal como se apresenta em grandes agregados de moléculas. III.3.1 Conceitos básicos Sistema : Um sistema é uma coleção identificável de matéria cujo comportamento é o sujeito do estudo. Para identificação, o sistema é envolvido por uma fronteira do sistema ou superfície de controle, que pode ser puramente imaginária ou pode coincidir com uma fronteira real, podendo ser fixa ou móvel O termo sistema fechado ou massa de controle é algumas vezes usado para enfatizar que não há fluxo de matéria através da fronteira do sistema. Quando há fluxo de massa através da superfície de controle, o sistema é chamado de volume de controle ou sistema aberto. O tipo de análise termodinâmica usado é conhecido como análise de sistema ou análise de massa de controle. Quando há movimentos envolvidos, a definição de sistema precisa incluir um sistema de referência ao qual velocidades e deslocamentos estão relacionados. O sistema de referência mais comumente usado é o sistema de referência inercial no qual uma partícula livre se move à velocidade constante. Vizinhanças : Tudo externo à fronteira do sistema é chamado vizinhanças. Sistema isolado: Se mudanças nas vizinhanças não produzem mudanças no sistema, o sistema é conhecido como um sistema isolado. Um sistema combinando um sistema e suas vizinhanças é um sistema isolado, frequentemente chamado universo que não é um universo no sentido cosmológico mas apenas no sentido termodinâmico. Propriedade: Uma propriedade termodinâmica é qualquer característica mensurável de um sistema cujo valor depende da condição do sistema. Estado termodinâmico : A condição de um sistema em qualquer instante de tempo é chamada seu estado. O estado de um sistema é aquela condição do sistema que é descrita plenamente por suas propriedades observáveis em cada instante. Uma propriedade é qualquer quantidade cujo valor numérico depende do estado mas não da história do sistema. Em estados idênticos, as propriedades tem os mesmos valores. Portanto, propriedades são funções do estado do sistema e não de um processo que o sistema possa sofrer.

55

Propriedades Extensivas: Propriedades extensivas dependem do tamanho ou extensão do sistema. Volume, massa e energia são exemplos de propriedades extensivas. Uma propriedade extensiva é aditiva no sentido de que seu valor para o sistema todo iguala a soma dos valores das suas partes. Para um sistema dividido em N subsistemas por fronteiras reais ou imaginárias, o valor de uma propriedade extensiva, X, para o sistema inteiro é a soma dos valores daquela propriedade para todos os subsistemas. Chamando a propriedade extensiva do subsistema i como Xi, então

∑=i

iXX

Massa e volume são propriedades extensivas. Propriedades extensivas tem valores independente se o sistema está em equilíbrio ou não. Propriedades Intensivas: Estas propriedades são independentes do tamanho ou extensão do sistema e só tem significado para sistemas em estados de equilíbrio; pressão e temperatura são propriedades intensivas. Sistema Homogêneo: Se o valor de qualquer propriedade intensiva em qualquer parte do sistema é a mesma, o sistema é homogêneo. Mol: Um mol é uma quantidade de substância que tem a massa numericamente igual ao seu peso molecular. Designando o peso molecular por M e o número de moles por n, a massa m de substância é m = nM. Um quilograma mol, kmol, de oxigênio pesa 32,0 kg. Propriedade específica: Um tipo especial de propriedade intensiva é uma propriedade específica que é a razão de uma propriedade extensiva para a massa correspondente. Quando uma propriedade extensiva é reportada em uma base unitária ou em uma base unitária molar, ela é chamada propriedade específica. Uma barra sobre a letra que designa uma propriedade extensiva é usada para distinguir uma propriedade extensiva escrita numa base molar de seu valor expresso por unidade de massa. Por exemplo, o volume por mol é V enquanto o volume por unidade de massa é V , e os dois volumes são relacionados por MVV = . Processo, ciclo: Dois estados são idênticos se, e apenas se, as propriedades dos dois estados são idênticas. Quando qualquer propriedade de um sistema muda em valor, há uma mudança em estado, e o sistema sofre um processo. Quando um sistema em um dado estado inicial sofre uma seqüência de processos e finalmente retorna ao estado inicial, diz-se que o sistema sofreu um ciclo. Fase e substância pura: O termo fase refere-se à quantidade de matéria que é homogênea em composição química e estrutura física. Homogeneidade em estrutura física significa que a matéria é toda sólida, ou toda líquida ou toda vapor (ou toda gás). Um sistema pode conter uma ou mais fases. Por exemplo, um sistema de água líquida e vapor d’água contém duas fases. Uma

56

substância pura é aquela que é tem composição química uniforme e invariável. Uma substância pura pode existir em mais de uma fase, mas sua composição química deve ser a mesma em cada fase. Por exemplo, se água líquida e vapor d’água formam um sistema com duas fases, o sistema pode ser considerado como uma substância pura porque cada fase tem a mesma composição. Equilíbrio: Equilíbrio significa uma condição de balanço. Em termodinâmica o conceito inclui não apenas um balanço de forças mas também um balanço de outras influências. Cada tipo de influência refere-se a um aspecto particular do equilíbrio termodinâmico, ou completo. Equilíbrio térmico refere-se a uma igualdade de temperatura, equilíbrio mecânico refere-se a uma igualdade de pressão, e o equilíbrio de fases a uma igualdade de potenciais químicos. O equilíbrio químico é também estabelecido em termos de potenciais químicos. Para equilíbrio completo, os diversos tipos de equilíbrio necessitam existir individualmente. Quando um sistema é isolado, ele não pode interagir com suas vizinhanças; entretanto, seu estado pode mudar em conseqüência de eventos espontâneos ocorrendo internamente à medida que suas propriedades intensivas, como pressão e temperatura, tendem a valores uniformes. Quando todas essas alterações cessam, o sistema está em equilíbrio. No equilíbrio, a temperatura é uniforme através do sistema, A pressão também pode ser tida como uniforme se o efeito da gravidade não é significativo. Por outro lado, uma variação de pressão com a altura pode existir, como em uma coluna vertical de líquido. Estado de equilíbrio: Um sistema isolado que não tem tendência para sofrer uma mudança de estado mesmo após um longo tempo está em um estado de equilíbrio. Processo reversível: Um processo é reversível se, após ele ter ocorrido, meios podem ser encontrados para restituir o sistema e suas vizinhanças aos seus estados iniciais sem efeitos residuais em qualquer um deles. Reversibilidade plena não é possível em um processo real. Processo quase-estático: nestes processos o sistema está infinitesimalmente próximo ao equilíbrio em todos os tempos e estados através dos quais os passos do sistema podem ser descritos por coordenadas termodinâmicas referindo ao sistema como um todo. Um processo quase-estático é uma idealização que pode ser aproximada na prática com qualquer grau de precisão desejado. Região de controle: Uma região de controle, também conhecida como volume de controle ou sistema aberto, é qualquer região definida no espaço sob análise. A extensão da região de controle é definida pela superfície de controle. Trabalho e calor: Estes fenômenos são descritíveis na fronteira do sistema e existem apenas enquanto o sistema (ou região de controle) e as vizinhanças interagem e, portanto, ambos, trabalho e calor, são chamados interações. Desde que essas interações resultam em transferências de energia através da fronteira, trabalho e calor podem ser considerados como energia em trânsito.

57

Embora eles tenham isto em comum, há também importantes distinções entre eles. Trabalho é uma interação entre dois sistemas tal que o único efeito da ação de um sistema no outro pode ser mostrada como sendo equivalente ao levantamento ou rebaixamento de um peso. Calor resulta em uma transferência de energia entre dois sistemas em contato térmico devido a sua diferença de temperatura. Reservatório de energia térmica: Um reservatório de energia térmica é um corpo de volume constante em equilíbrio estável com uma capacidade calorífica muito grande de modo que ele pode atuar como uma fonte ou sumidouro de calor sem sofrer uma mudança finita em temperatura. Em análise termodinâmica prática, qualquer corpo de temperatura constante, tal como uma sala aquecida ou um compartimento frio refrigerado, cuja única função é tanto receber quanto liberar energia térmica através de interação de calor pode ser tratado como um reservatório de energia térmica dentro do qual todos os processos são assumidos como sendo quase-estáticos. Reservatório de energia mecânica: É um sistema capaz de estocar energia mecânica completamente ordenada como energia potencial ou energia cinética. Um reservatório de energia mecânica é um sistema idealizado no qual a energia é estocada, recebida, e liberada de uma maneira reversível. Máquina térmica: Uma máquina térmica opera de uma maneira cíclica e troca energia térmica e mecânica com outros sistemas. Fronteira adiabática: Uma fronteira de sistema ou superfície de controle que não permite que uma interação de calor ocorra é adiabática. Fronteira diatérmica: Uma fronteira de sistema ou superfície de controle que permite que uma interação de calor ocorra é diatérmica. Convenção de sinais: Transferência de calor para o sistema é positiva e transferência de calor do sistema é negativa. Trabalho feito pelo sistema é positivo e trabalho feito sobre o sistema é negativo. Postulado de Estado: O número de propriedades termodinâmicas independentemente variáveis para um sistema particular é o número de modos de trabalho reversíveis relevantes mais um. Os modos de trabalho reversíveis, isto é, maneiras pelas quais um sistema pode transferir energia como trabalho, dependem das propriedades da substância que compreende o sistema. Por exemplo, se a substância é compressível e magnética seus modos de trabalho estão associados com variações de volume devido á aplicação de pressão e variações em magnetização em um campo magnético variável. Três propriedades independentemente variáveis são requeridas para definir seu estado. Nas aplicações estudadas neste trabalho, apenas o modo de trabalho devido à compressibilidade foi considerado; o estado de uma tal substância compressível simples pode ser definido para um sistema não reativo em termos de apenas duas propriedades independentemente variáveis.

Temperatura

58

Um termômetro de vidro com mercúrio como substância termométrica relata a variação de comprimento da coluna de mercúrio com a variação de temperatura, determinando deste modo uma escala de temperatura. A dependência de medidas de temperatura com uma substância termométrica tal como mercúrio não é satisfatória, uma vez que o mercúrio permanece no estado líquido sobre um intervalo relativamente estreito de temperatura. Além do mais, a calibração de um termômetro entre pontos padrões não levará necessariamente a intervalos de temperatura iguais aos obtidos por um segundo termômetro usando uma substância diferente. Em conseqüência, é altamente desejável o estabelecimento de uma escala de temperatura independente da substância de trabalho. Esta escala é chamada de escala termodinâmica de temperatura, ou escala Kelvin, e é estabelecida a partir da Segunda Lei da termodinâmica. A definição de uma escala absoluta de temperatura derivada da Segunda Lei é válida sobre todos os intervalos de temperatura e permite uma conexão entre as diversas medidas empíricas de temperatura. A temperatura absoluta do ponto triplo da água é fixado em 273,16 K na escala Kelvin de temperatura por um acordo internacional. III.3.2 A Lei Zero da termodinâmica “Se dois sistemas A e B estão em equilíbrio com um sistema C quando em contato térmico com C, então A e B estão em equilíbrio um com o outro”. Esta lei, também conhecida como princípio de equilíbrio térmico, é a base da medição de temperatura. III.3.3 A Primeira Lei da termodinâmica Energia é um conceito fundamental da termodinâmica e um dos aspectos mais significativos da análise de engenharia. Energia pode ser armazenada dentro de sistemas sob várias formas macroscópicas: energia cinética, energia potencial gravitacional, e energia interna. Energia também pode ser transformada de uma forma em outra, ou transferida entre sistemas. Em sistemas fechados, energia pode ser transferida por transferência de calor ou de trabalho. A quantidade total de energia é conservada em todas as transformações e transferências. Trabalho: Em termodinâmica, o termo trabalho (W ) denota um meio para transferência de energia. Trabalho é um efeito de um sistema em outro. Trabalho feito por um sistema sobre suas vizinhanças é identificado e medido quando o único efeito sobre as vizinhanças externas ao sistema pode ser reduzido ao levantamento de um peso, notando-se que o levantamento de um peso é na verdade uma força atuando através de uma distância, de modo que o conceito de trabalho mecânico é incluído. A magnitude do trabalho é medida pelo número de pesos padrões que poderiam ter sido elevados.

59

Pela convenção usual de sinais trabalho feito por um sistema é considerado positivo em valor; trabalho feito sobre o sistema é considerado negativo em valor:

0>W : trabalho feito pelo sistema

0<W : trabalho feito sobre o sistema A taxa temporal de execução de trabalho é denominada potência e seu símbolo

é .

W . Energia: Um sistema fechado sofrendo um processo que envolve apenas interações de trabalho com suas vizinhanças sofre um processo adiabático. Com base em evidência experimental, pode ser postulado que quando um sistema fechado é alterado adiabaticamente, a quantidade de trabalho adiabáticoW é fixada pelos estados terminais do sistema e é independente dos detalhes do processo. Este postulado, que é uma maneira pela qual a Primeira Lei da termodinâmica pode ser estabelecida, pode ser feito independente do tipo de interação de trabalho envolvida, do tipo de processo, ou da natureza do sistema. Como o trabalho em um processo adiabático depende apenas dos estados iniciais e finais, pode se concluir que uma propriedade extensiva pode ser definida para um sistema de modo que sua variação em valor entre dois estados é igual ao trabalho em um processo adiabático que tenha esses estados terminais. Esta propriedade é chamada energia. Em termodinâmica de engenharia a variação na energia de um sistema é considerada como sendo composta de três contribuições macroscópicas:

• A variação de energia cinética (EC), associada ao movimento do sistema como um todo, relativo a um sistema de coordenadas externo;

• A variação de energia potencial gravitacional (EP), associada com a posição do sistema como um todo dentro do campo gravitacional da terra;

• Todas as outras variações de energia agregadas na energia interna U do sistema.

Todas estas formas de energia são propriedades extensivas do sistema. A variação de energia entre dois estados expressa em termos do trabalho em um processo adiabático entre esses estados é (EC2 – EC1) + (EP2 – EP1) + (U2 – U1) = -Wadiabático

onde 1 e 2 denotam o estado inicial e final, respectivamente, e o sinal de menos diante do termo de trabalho está de acordo com a convenção de sinais adotada. Desde que qualquer valor arbitrário pode ser atribuído à energia num

60

dado estado 1, nenhum significado particular pode ser designado ao valor da energia no estado 1 ou em qualquer outro estado. Apenas variações na energia de um sistema tem significado. A energia interna específica é simbolizada por u ou u , dependendo se é expressa em base de unidade mássica ou em base molar, respectivamente. A energia específica (energia por unidade mássica) é a soma da energia interna específica u , da energia cinética específica 2/2v e da energia específica gravitacional gz , ou seja,

Energia específica = gzmvu ++ 2

2

1

onde v é a velocidade e z a elevação, cada um relativo a um sistema especificado, e g é a aceleração da gravidade. A entalpia é uma propriedade relacionada à energia interna u, pressão p e volume específico V e é definida por

pVuh += Calor: A quantidade Q é a quantidade de energia transferida a um sistema fechado durante um processo por outros meios que não trabalho. Com base na experiência sabe-se que tal transferência de energia é induzida apenas como resultado da diferença de temperatura entre o sistema e suas vizinhanças e ocorre apenas na direção da menor temperatura. Este tipo de transferência de energia é chamada transferência de energia por calor. A seguinte convenção de sinais é utilizada:

0>Q : transferência de calor ao sistema

0<Q : transferência de calor a partir do sistema Balanço de energia: Sistemas fechados podem também interagir com suas vizinhanças de uma forma que não pode ser classificada como trabalho, como por exemplo um gás (ou líquido) contido em um sistema fechado sofrendo um processo enquanto está em contato com uma chama. Este tipo de interação é chamada uma interação de calor e o processo é referido como um processo não-adiabático. Um aspecto fundamental do conceito de energia é que a energia é conservada. Assim, desde que entre mesmos estados terminais um sistema fechado sofre a mesma variação de energia em um processo adiabático e num processo não-adiabático, pode ser concluído que a transferência líquida de energia ao sistema em cada um desses processos deve ser a mesma. Segue-se que interações de calor também envolvem transferência de energia. Mais além, a quantidade de energia Q transferida a um sistema fechado nestas interações

61

de calor devem igualar a soma da variação de energia do sistema e a quantidade de energia transferida do sistema por trabalho. Isto é:

WUUEPEPECECQ +−+−+−= )]()()[( 121212 ou

WQEPEPECECUU −=−+−+− )()()( 121212 que é chamado balanço de energia para um sistema fechado e resume o princípio de conservação de energia para quaisquer sistemas fechados. As quantidades simbolizadas por W e Q respondem por transferências de energia. Os termos trabalho e calor denotam diferentes maneiras pelas quais energia é transferida e não o que é transferido. Trabalho e calor não são propriedades e é impróprio falar em trabalho ou calor “contidos” em um sistema. Trabalho e calor são freqüentemente chamados simplesmente de transferência de calor e trabalho na prática de engenharia. Ciclos de Potência: Para um sistema fechado sofrendo um ciclo termodinâmico, a variação líquida de energia ao longo do ciclo é zero, ou seja,

ciclociclo WQ = que significa que ao longo do ciclo a quantidade líquida de energia recebida através de interações de calor é igual à energia líquida transferida por interações de trabalho. Em um ciclo de potência, ou máquina térmica, uma quantidade líquida de energia é transferida por interações de trabalho produzido: Wciclo > 0 . Este valor equivale à quantidade líquida de energia recebida através de interações de calor. A partir da experiência é encontrado que ciclos de potência são caracterizados por uma adição de energia por transferência de calor e uma rejeição inevitável de energia por transferência de calor:

RAciclo QQQ −=

onde QA é a energia total adicionada por transferência de calor e QR é a energia total rejeitada por transferência de calor. Destas equações combinadas resulta:

RAciclo QQW −=

A eficiência térmica de uma máquina térmica é definida como a razão entre o trabalho líquido desenvolvido e a energia total adicionada por transferência de calor:

62

A

R

A

ciclo

Q

Q

Q

W−== 1η

A experiência com ciclos de potência revela que a eficiência térmica é invariavelmente menor que 100%. Ou seja, uma parte da energia QA suprida é rejeitada: QR ≠ 0. Esta condição deve ser cumprida por todos os ciclos, por mais idealizados que sejam. Nenhum ciclo de potência, real ou ideal, pode ter uma eficiência térmica de 100%. Torna-se interessante determinar a eficiência teórica máxima, o que é feito a partir da Segunda Lei da termodinâmica. III.3.4 A Segunda Lei da termodinâmica Muitos postulados da Segunda Lei da termodinâmica foram propostos. Cada um deles pode ser chamado um postulado da Segunda Lei ou um corolário da Segunda Lei: se um não é válido todos são inválidos. A base da Segunda Lei é a evidência experimental. Postulado de Kelvin-Planck: O postulado de Kelvin-Planck refere-se ao conceito de reservatório térmico. Um reservatório térmico é um sistema que sempre permanece a uma temperatura constante mesmo que energia seja adicionada ou removida por transferência de calor. Um reservatório é uma idealização, mas pode ser aproximado de várias maneiras: a atmosfera da terra, grandes corpos de água (lagos, oceanos). As propriedades extensivas de reservatórios térmicos, tal como a sua energia interna, podem mudar em interações com outros sistemas e mesmo assim a temperatura do reservatório permanece constante. O postulado de Kelvin-Planck da Segunda Lei afirma: “É impossível para qualquer sistema operar em um ciclo termodinâmico e liberar uma quantidade líquida de energia por trabalho para suas vizinhanças enquanto recebe energia por transferência de calor de um único reservatório térmico”. A expressão analítica do postulado é

cicloW 0≤ (reservatório único) Onde as palavras reservatório único enfatizam que o sistema se comunica termicamente com um único reservatório a medida que ele executa o ciclo. O sinal de desigualdade se aplica quando irreversibilidades internas estão presentes ao longo do ciclo e a igualdade se aplica apenas quando não há irreversibilidades presentes. Irreversibilidades: Um processo é dito reversível se é possível que seus efeitos sejam erradicados no sentido de que há alguma maneira pela qual ambos sistema e suas vizinhanças podem ser exatamente restaurados aos seus respectivos estados iniciais. Um processo é irreversível quando não há maneiras pelas quais sistema e vizinhanças possam ser exatamente

63

restaurados aos seus respectivos estados iniciais. Um sistema que tenha sofrido um processo irreversível não está necessariamente impedido de ser restaurado ao seu estado inicial. Entretanto, tenha o sistema sido restaurado ao seu estado inicial, não seria possível retornar as vizinhanças ao estado em que estavam inicialmente. Há muitos efeitos cuja presença durante um processo o tornam irreversível. Alguns são os seguintes:

• Transferência de calor através de uma diferença finita de temperatura; • Expansão não resistida de um gás ou um líquido a uma pressão mais

baixa; • Reação química espontânea; • Mistura de matéria em diferentes composições ou estados; • Fricção por atrito e fricção no escoamento de fluidos; • Fluxo de corrente elétrica através de uma resistência; • Magnetização ou polarização com histerese; • Deformação inelástica.

Irreversibilidades podem ser divididas em duas classes: internas e externas. Irreversibilidades internas são aquelas que ocorrem dentro do sistema, enquanto irreversibilidades externas são aquelas que ocorrem dentro das vizinhanças, normalmente as vizinhanças imediatas. Como essa divisão depende da locação da fronteira, se a fronteira for locada incluindo as vizinhanças imediatas, todas as irreversibilidades são internas. Quando irreversibilidades estão ausentes durante um processo, o processo é dito ser internamente reversível. Corolários de Carnot: Como nenhum ciclo de potência pode ter uma eficiência térmica de 100% é interessante determinar a máxima eficiência teórica. A eficiência térmica teórica máxima para sistemas executando ciclos de potência enquanto se comunicam com dois reservatórios em diferentes níveis de temperatura pode ser avaliada com referência aos seguintes dois corolários da Segunda Lei, chamados Corolários de Carnot: Corolário 1: A eficiência térmica de um ciclo de potência irreversível é sempre menor que a eficiência térmica de um ciclo de potência reversível, quando cada um opera entre os mesmos dois reservatórios térmicos. Corolário 2: Todos os ciclos de potência reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios térmicos tem a mesma eficiência térmica. Um ciclo é considerado reversível quando não há irreversibilidades dentro do sistema à medida que ele executa o ciclo e o calor é transferido entre o sistema e o reservatório idealmente (isto é, com uma diferença de temperatura muito pequena, infinitesimal).

64

Escala Kelvin de temperatura: O segundo corolário de Carnot sugere que a eficiência térmica de um ciclo de potência reversível operando entre dois reservatórios térmicos depende apenas das temperaturas dos reservatórios e não da natureza da substância que compõe o sistema executando o ciclo ou a série de processos. A partir da eficiência térmica de uma máquina térmica:

A

R

Q

Q−= 1η

pode ser concluído que a razão das transferências de calor está relacionada apenas às temperaturas, e é independente da substância e dos processos, ou seja,

),( HC

sívelcicloreverH

C TTQ

Q ψ=

onde HQ é a energia transferida ao sistema por transferência de calor de um reservatório quente à temperatura HT numa escala de temperatura a ser definida e CQ é a energia rejeitada pelo sistema a um reservatório frio à

temperatura CT . As palavras ciclo reversível enfatizam que esta expressão se aplica apenas a sistemas sofrendo ciclos reversíveis enquanto operando entre dois reservatórios.

A escala Kelvin de temperatura é baseada em H

CHC T

TTT =),(ψ . Então

H

C

sívelcicloreverH

C

T

T

Q

Q=

Esta equação define apenas uma razão de temperaturas. A especificação da escala Kelvin é completada assinalando um valor numérico a um estado de referência padrão. O estado selecionado é o ponto triplo da água ao qual é atribuído a temperatura de 273,16 K. Se um ciclo reversível é operado entre um reservatório na temperatura do estado de referência e outro reservatório a uma temperatura desconhecida T , então essa temperatura está relacionada com o valor do estado de referência por

'16,273

Q

QT =

onde Qé a energia recebida por transferência de calor do reservatório à temperatura T e 'Q é a energia rejeitada ao reservatório no estado de referência.

65

Assim, é definida uma escala de temperatura que é válida sobre todas as faixas de temperatura e que é independente da substância termométrica. Eficiência de Carnot : Para o caso especial de um ciclo de potência reversível operando entre reservatórios térmicos a temperaturas HT e CT , combinando as equações

A

R

Q

Q−= 1η

e

H

C

sívelcicloreverH

C

T

T

Q

Q=

resulta em

H

C

T

T−= 1η

chamada eficiência de Carnot . Esta é a eficiência para todos os ciclos de potência reversíveis operando entre reservatórios térmicos a HT e CT . Adicionalmente, essa é a máxima eficiência teórica que qualquer ciclo de potência, real ou ideal, poderia ter quando operando entre os mesmos reservatórios. Desigualdade de Clausius : A desigualdade de Clausius é um corolário da Segunda Lei da termodinâmica, aplicável a qualquer ciclo sem restrições ao corpo, ou corpos, dos quais o ciclo recebe ou para os quais rejeita energia por transferência de calor. A desigualdade de Clausius provê a base para a introdução de duas idéias instrumentais para avaliações quantitativas de sistemas de uma perspectiva da Segunda Lei: os conceitos de entropia e de geração de entropia. A desigualdade de Clausius afirma que:

0≤

∂∫

bT

Q

onde Q∂ representa a transferência de calor em uma parte da fronteira do sistema durante uma porção do ciclo, e T é a temperatura absoluta naquela parte da fronteira. A diferencial ∂ é usada para distinguir as diferenciais de não-propriedades, tais como calor e trabalho, das diferenciais de propriedades (símbolo d ). O subscrito b serve como um lembrete de que o integrando é avaliado na fronteira do sistema executando o ciclo. O símbolo ∫ indica que a

integral deve ser avaliada sobre todas as partes da fronteira e sobre todo o ciclo. A desigualdade de Clausius pode ser demonstrada usando o postulado

66

de Kelvin-Planck para a Segunda Lei da termodinâmica. A igualdade se aplica quando não há irreversibilidades internas à medida que o sistema executa o ciclo, e a desigualdade se aplica quando irreversibilidades internas estão presentes. Para as aplicações a serem desenvolvidas, é conveniente reescrever a desigualdade de Clausius como

∫ −=

∂gerada

b

ST

Q

onde geradaS pode ser vista como representando a “força da desigualdade”. O

valor de geradaS é positivo quando irreversibilidades internas estão presentes,

zero quando não há irreversibilidades internas presentes, e nunca pode ser negativo. Conseqüentemente, geradaS é uma medida do efeito das irreversibilidades

presentes dentro do sistema executando o ciclo. III.3.5 Entropia e geração de Entropia Entropia : Consideremos dois ciclos executados por um sistema fechado. Um ciclo consiste de um processo internamente reversível A do estado 1 ao estado 2, seguido por um processo internamente reversível C do estado 2 ao estado 1. O outro ciclo consiste de um processo internamente reversível B do estado 1 ao estado 2, seguido pelo mesmo processo C do estado 2 ao estado 1, como no primeiro ciclo. Para estes ciclos a equação

∫ −=

∂gerada

b

ST

Q

toma a forma

01

2

2

1

=−=

∂+

∂∫∫ gerada

CA

ST

Q

T

Q

01

2

2

1

=−=

∂+

∂∫∫ gerada

CB

ST

Q

T

Q

onde geradaS foi feita igual a zero pois os ciclos são compostos de processos

internamente reversíveis. Subtraindo estas equações leva a

67

BAT

Q

T

Q

∂=

∂∫∫2

1

2

1

Isto mostra que a integral de TQ /∂ é a mesma para ambos os processos. Desde que A e B são arbitrários, segue que a integral de TQ /∂ tem o mesmo valor para qualquer processo internamente reversível entre os dois estados. Em outras palavras, o valor da integral depende apenas dos estados finais. Pode se concluir , então, que a integral define a variação de uma mesma propriedade do sistema. Selecionando o símbolo S para esta propriedade, sua variação é dada por

eversívelernamenterT

QSS

int

2

1

12

∂=− ∫

onde o subscrito internamente reversível é adicionado para relembrar que a integração é executada para qualquer processo internamente reversível entre os dois estados. Esta propriedade é chamada entropia , e é uma propriedade extensiva. Como entropia é uma propriedade, a variação de entropia de um sistema indo de um estado a outro é a mesma para todos os processos, tanto internamente reversíveis quanto internamente irreversíveis, entre esses dois estados. Uma vez que a variação de entropia tenha sido avaliada, esta é a magnitude da variação de entropia para todos os processos do sistema entre esses dois estados. A partir da equação de definição da entropia escrita em uma base diferencial


QdS

int

∂=

Pode-se ver que :

• Quando um sistema fechado sofrendo um processo internamente reversível recebe energia por transferência de calor, sua entropia aumenta;

• Quando energia é removida do sistema por transferência de calor, a entropia do sistema diminui.

Ou seja, a transferência de entropia está associada com (ou acompanha) a transferência de calor. A direção da transferência de entropia é a mesma da transferência de calor. Em um processo adiabático internamente reversível de uma sistema fechado a entropia permanece constante. Um processo a entropia constante é chamado de processo isentrópico.

68

A equação


QdS

int

∂=

se torna

TdSQ eversívelernamenter =∂ int)( e integrando

∫=2

1

int TdSQ eversívelernamenter

Desta equação pode se concluir que uma transferência de energia por calor a um sistema fechado durante um processo internamente reversível pode ser representada como uma área num diagrama de temperatura versus entropia, a temperatura estando expressa em graus Kelvin. A área é a área inteira sob a curva representando o processo. A interpretação da área como transferência de calor não é válida para processos irreversíveis. Balanço de entropia : Consideremos agora um ciclo consistindo de um processo I do estado 1 ao estado 2, durante o qual podem estar presentes irreversibilidades internas, seguido de um processo internamente reversível do estado 2 ao estado 1. Para este ciclo

∫ ∫ −=

∂+

∂2

1

2

1 int

gerada

eversívelernamenterb

ST

Q

T

Q

onde a primeira integral é para o processo I e a segunda é para o processo internamente reversível. O subscrito b na primeira integral enfatiza que o integrando é avaliado na fronteira do sistema. O subscrito não é requerido na segunda integral porque a temperatura é uniforme através do sistema a cada estado intermediário para um processo internamente reversível. Como não há irreversibilidades associadas ao segundo processo, o termo geradaS , que se

refere ao efeito das irreversibilidades durante o ciclo, refere-se apenas ao processo I, como este é a única fonte de irreversibilidades. Aplicando a definição de variação de entropia

∫

∂=−2

1 int

21


QSS

obtém-se

69

gerada

b

SSST

Q −=−+

∂∫ )( 21

2

1

Rearranjando, o balanço de entropia para um sistema fechado se torna:

∫ +

∂=−2

1

12 gerada

b

ST

QSS

ou variação de entropia = transferência de entropia + geração de entropia Quando os estados finais são fixados, a variação de entropia no lado esquerdo da equação acima pode ser avaliada independentemente dos detalhes do processo. Porém, os dois termos do lado direito dependem explicitamente da natureza do processo e não podem ser determinados apenas do conhecimento dos estados finais. O primeiro termo do lado direito está associado com a transferência de calor para ou do sistema durante o processo. Este termo pode ser interpretado como a transferência de entropia associada com (ou acompanhando) transferência de calor. A direção da transferência de entropia é a mesma que a direção da transferência de calor, e a mesma convenção de sinais é aplicada que para a transferência de calor: um valor positivo significa que a entropia é transferida para o sistema, e um valor negativo significa que a entropia é transferida para fora do sistema. O termo geradaS é positivo quando irreversibilidades internas estão presentes

durante o processo e desaparece quando irreversibilidades internas estão ausentes. Isto pode ser descrito dizendo que a entropia é gerada (ou produzida) dentro do sistema por ação de irreversibilidades. A segunda Lei da termodinâmica pode ser interpretada especificando que a entropia é gerada por irreversibilidades e conservada apenas no limite quando as irreversibilidades são reduzidas a zero. Como geradaS mede o efeito de irreversibilidades presentes num sistema durante

um processo, seu valor depende da natureza do processo e não apenas dos estados finais. A variável geradaS não é uma propriedade.

A aplicação do balanço de entropia objetiva freqüentemente avaliar o termo de geração de entropia. Entretanto, o valor da geração de entropia para um dado processo de um sistema usualmente não tem muito significado próprio. O significado usualmente é determinado por comparação: a geração de entropia dentro de um dado componente pode ser comparada aos valores de geração de entropia dos outros componentes incluídos em um sistema global formado por esses componentes. Pela comparação de valores de geração de entropia, os componentes onde irreversibilidades apreciáveis ocorrem podem ser

70

identificados e ordenados segundo uma ordem de importância. Isto permite que a atenção seja focada nos componentes que contribuem mais fortemente para a operação ineficiente do sistema global. A avaliação do termo de transferência de entropia do balanço de entropia requer informação referente à transferência de calor e à temperatura na fronteira onde a transferência de calor ocorre. Entretanto, o termo de transferência de entropia nem sempre é sujeito à avaliação direta, porque a informação requerida ou é desconhecida ou é indefinida, tal como quando o sistema passa através de estados suficientemente afastados do equilíbrio. Em aplicações práticas, é freqüentemente conveniente, portanto, ampliar o sistema para incluir o suficiente das vizinhanças imediatas de modo que a temperatura na fronteira do sistema ampliado corresponde à temperatura ambiente, ambienteT .

O termo de transferência de entropia é então simplesmente ambienteTQ / . Entretanto, como as irreversibilidades presentes não seriam apenas aquelas para o sistema de interesse mas aquelas para o sistema ampliado, o termo de geração de entropia refletiria os efeitos das irreversibilidades internas dentro do sistema original e as irreversibilidades externas presentes dentro daquela porção das vizinhanças incluídas dentro do sistema ampliado. O balanço de entropia pode ser expresso em formas alternativas que podem ser convenientes para certas análises particulares. Uma dessas é a forma de taxa, dada por

∑ +=j

gerada

j

j ST

Q

dt

dS .

.

onde dtdS/ é a taxa temporal de variação de entropia do sistema. O termo

jj TQ /.

representa a taxa temporal de transferência de entropia através da

porção da fronteira cuja temperatura instantânea é jT . O termo

geradaS.

representa a taxa temporal de geração de entropia devido a irreversibilidades dentro do sistema. Para um sistema isolado de suas vizinhanças, o balanço de entropia para um processo do estado 1 ao estado 2 se reduz a

geradaisolado SSS =− )( 12

onde geradaS é a quantidade total de entropia gerada dentro do sistema isolado.

Como a entropia é gerada em todos os processos reais, os únicos processos que podem ocorrer são aqueles para os quais a entropia do sistema isolado aumenta. Isto é conhecido como o princípio do aumento da entropia . O princípio do aumento da entropia é algumas vezes adotado como um postulado da Segunda Lei.

71

Como sistemas abandonados a si mesmos tendem a sofrer processos até que uma condição de equilíbrio é atingida, o princípio do aumento da entropia sugere que a entropia de um sistema isolado cresce à medida que o sistema se aproxima do estado de equilíbrio, com o estado de equilíbrio sendo atingido quando a entropia atinge um máximo. III.4 Balanços em volume de controle III.4.1 Balanço de massa em volume de controle Conservação de massa: quando aplicado a um volume de controle, o princípio da conservação da massa é expresso como: a taxa temporal de acumulação de massa dentro do volume de controle iguala a diferença entre as taxas totais de fluxo mássico para dentro e para fora da fronteira. Para o caso em que ocorrem fluxos para dentro e para fora, cada qual através de uma ou mais portas de entrada, o princípio de conservação da massa toma a forma

∑ ∑−=e s

seVC mm

dt

dm ..

onde o lado esquerdo da equação representa a taxa temporal de variação da

massa contida dentro do volume de controle, .

em representa a taxa de fluxo

mássico em uma porta de entrada, e .

sm é a taxa de fluxo mássico em uma porta de saída. III.4.2 Balanço de energia em volume de controle O balanço de taxa de energia para um volume de controle é:

)2

1()

2

1(

)( 2.

2...

sssseeeeVCVCVC gzvhmgzvhmWQ

dt

EPECUd++−+++−=

++

onde h representa a entalpia do fluxo mássico e VCQ.

representa a taxa de transferência de calor através da fronteira (superfície de controle) do volume de controle. Para aplicações onde possam haver vários locais na fronteira por onde a massa entra ou sai, a seguinte expressão é apropriada

72

)2

1()

2

1(

)( 2.

2...

ssss

seeee

e

VCVCVC gzvhmgzvhmWQ

dt

EPECUd++−+++−=

++∑∑

Esta equação é um balanço contábil para a energia do volume de controle. Ela afirma que a taxa temporal de acumulação de energia dentro do volume de controle iguala a diferença entre as taxas totais de transferência de energia para dentro e para fora através da fronteira. Os mecanismos de transferência de energia são calor e trabalho, como para sistemas fechados, e a energia acompanhando a massa entrando e saindo. III.4.3 Balanço de entropia em volume de controle Entropia, como massa e energia, é uma propriedade extensiva, e assim também pode ser transferida para dentro e para fora de um volume de controle por correntes de matéria. O balanço de taxa de entropia para um volume de controle é

∑ ∑ ∑ +++=j e s

geradassee

j

jVC SsmsmT

Q

dt

dS.

..

.

onde dtdSVC / representa a taxa temporal de variação de entropia dentro do

volume de controle. Os termos .

eesm e ss sm.

representam, respectivamente, as taxas de transferência de entropia para dentro e para fora do volume de controle associadas com o fluxo de massa. Fluxo unidimensional é assumido

nos locais onde a massa entra e sai. O termo jQ.

representa a taxa temporal de

transferência de calor no local da fronteira onde a temperatura instantânea é

jT . A razão jj TQ /.

representa a taxa associada de transferência de entropia. O

termo geradaS.

representa a taxa temporal de geração de entropia devido a irreversibilidades dentro do volume de controle. Quando um volume de controle

compreende um certo número de componentes, geradaS.

é a soma das taxas de geração de entropia dos componentes. III.4.4 Volumes de controle em estado permanente Para sistemas de engenharia em estado permanente, todas as propriedades são invariáveis no tempo. Para um volume de controle em regime permanente, a identidade da matéria dentro do volume de controle varia continuamente, porém a quantidade total de matéria permanece constante.

73

O princípio de conservação da massa se torna

∑ ∑=e s

se mm..

ou seja, a taxa total de fluxo mássico entrando no volume de controle iguala a taxa total de fluxo mássico saindo do volume de controle. O balanço de taxa de energia se torna

∑∑ ++−++++=s

ssss

eeeeeVCVC gzvhmgzvhmWQ )

2

1()

2

1(0 2

.2

...

ou seja, a taxa total de transferência de energia para dentro do volume de controle iguala a taxa total de transferência de energia para fora do volume de controle. O balanço de taxa de entropia se torna

∑ ∑ ∑ +−+=j e s

geradassee

j

j SsmsmT

Q ...

.

0

ou seja, a taxa na qual a entropia é transferida para fora do volume de controle excede a taxa na qual a entropia entra, a diferença sendo a taxa de entropia gerada dentro do volume de controle devido a irreversibilidades. Massa e energia são quantidades conservadas, porém a entropia geralmente não se conserva. III.5 EXERGIA III.5.1 Definindo exergia Sempre que dois sistemas em diferentes estados são colocados em comunicação, existe uma oportunidade para realizar trabalho útil, já que, por princípio, trabalho pode ser desenvolvido à medida que os sistemas podem entrar em equilíbrio. Quando um dos sistemas é um sistema adequadamente idealizado chamado ambiente e o outro é algum sistema de interesse, exergia é o máximo trabalho útil teórico (trabalho de eixo ou trabalho elétrico) obtenível à medida que os sistemas interagem ao equilíbrio, transferência de calor ocorrendo apenas para o ambiente.

74

Alternativamente, exergia é o mínimo trabalho teórico útil requerido para formar uma quantidade de matéria a partir de substâncias presentes no ambiente e trazer a matéria a um estado especificado. Exergia é uma medida do afastamento do estado do sistema em relação ao ambiente. É portanto, um atributo do sistema e do ambiente conjuntamente. Entretanto, uma vez que o ambiente esteja especificado, um valor pode ser atribuído à exergia em termos apenas de valores de propriedades do sistema, de modo que exergia pode ser considerada como uma propriedade extensiva do sistema. Exergia pode ser destruída e geralmente não é conservada. Um caso limite ocorre quando a exergia é completamente destruída, como ocorreria se um sistema entrasse em equilíbrio com o ambiente espontaneamente sem fornecimento de trabalho. A capacidade de desenvolver trabalho existente inicialmente seria completamente desperdiçada no processo espontâneo. Adicionalmente, como nenhum trabalho necessita ser feito para efetuar tal mudança espontânea, pode se concluir que o valor da exergia (o máximo trabalho teórico obtenível) é no mínimo zero e portanto não pode ser negativa. Como para outras propriedades extensivas (massa, energia, entropia) exergia pode ser transferida entre sistemas. Conceitos de exergia, transferência de exergia e destruição de exergia estão relacionados pelo balanço de exergia para um sistema sob consideração. Exergia tem a característica de ser conservada apenas quando todos os processos ocorrendo num sistema e no ambiente são reversíveis. Exergia é destruída sempre que um processo irreversível ocorre. Tal qual energia, exergia pode ser transferida ou transportada através da fronteira de um sistema. Para cada tipo de transferência ou transporte de energia há uma transferência ou transporte correspondente de exergia. Algumas características importantes da exergia são (DINCER & ROSEN, 2007, p. 12):

• Um sistema em equilíbrio completo com seu ambiente não possui exergia. Não há diferenças na temperatura, pressão, concentração, etc., de modo que não há força motriz para qualquer processo.

• A exergia de um sistema aumenta quanto mais ele se desviar do ambiente. Por exemplo, uma dada quantidade de água quente tem um maior conteúdo de exergia durante o inverno do que num dia quente de verão. Um bloco de gelo carrega pouca exergia no inverno enquanto pode ter exergia significativa no verão.

• Quando energia perde sua qualidade, exergia é destruída. Exergia é a parte da energia que é útil e, portanto, tem valor econômico e deve ser gerenciada cuidadosamente.

• Exergia por definição depende não apenas do estado de um sistema ou fluxo, mas também do estado do ambiente.

75

• Eficiências exergéticas são uma medida de aproximação da idealidade (ou reversibilidade). Isto não é necessariamente verdadeiro para eficiências energéticas, que freqüentemente levam a erros.

• Exergia pode em geral ser considerada um recurso valioso. Existem recursos energéticos e não energéticos e é observado que a exergia pode ser uma medida do valor de ambos.

• Formas de energia com alto conteúdo exergético são tipicamente mais valiosas e úteis que formas de energia com baixa exergia. Combustíveis fósseis, por exemplo, tem altos conteúdos de energia e exergia. Calor residual em uma condição próxima da ambiental, por outro lado, tem pequena exergia, mesmo que possa conter muita energia, e, portanto, seu valor é limitado. Radiação solar, que é radiação térmica emitida na temperatura do sol (aproximadamente 5800 K) contém muita energia e exergia.

• Um depósito mineral concentrado “contrasta’ com o ambiente e em decorrência tem exergia. Este contraste e a exergia aumentam com a concentração do mineral. Quando o mineral é minerado seu conteúdo de exergia é retido, e se ele é enriquecido ou purificado o conteúdo de exergia aumenta. Um depósito mineral de qualidade pobre contém menos exergia e pode ser adequadamente utilizado apenas através de um maior input de exergia externa. Atualmente, esta substituição de exergia vem freqüentemente de formas exergéticas tais como carvão ou óleo.

No design de um sistema, é esperado que o engenheiro tenha como meta a maior eficiência técnica razoável ao menor custo razoável sob condições técnicas, econômicas e legais, além de considerar objetivos e conseqüências éticas, ecológicas e sociais. A análise exergética é uma ferramenta que pode facilitar este trabalho. Métodos exergéticos provêem discernimentos únicos nos tipos, localizações e causas de perdas e podem por isso ajudar a identificar melhorias possíveis. III.5.2 Ambiente e estados mortos Ambiente . O termo ambiente se aplica a uma porção das vizinhanças do sistema, sendo que as propriedades intensivas de cada uma de suas fases são uniformes e não variam significativamente como resultado de qualquer processo sob consideração. O ambiente difere das vizinhanças. O termo vizinhanças se refere a tudo não incluído no sistema. O ambiente é considerado como livre de irreversibilidades. Todas as irreversibilidades significativas estão localizadas dentro do sistema e suas vizinhanças imediatas. Irreversibilidades internas são aquelas localizadas dentro do sistema. Irreversibilidades externas residem nas vizinhanças imediatas. O ambiente é normalmente considerado como composto de substâncias comuns existentes em abundância dentro da atmosfera terrestre, oceanos e crosta terrestre. As substâncias estão em sua forma estável como existem naturalmente. Não há possibilidade de desenvolver trabalho a partir de

76

interações – físicas ou químicas – entre partes do ambiente. Embora as propriedades intensivas do ambiente sejam assumidas como invariáveis, as propriedades extensivas podem mudar como resultado das interações com outros sistemas. Energias cinética e potencial são avaliadas relativas a coordenadas no ambiente, cujas partes são consideradas em repouso entre si. Adequadamente, uma variação na energia do ambiente é uma variação apenas em sua energia interna. Nesta discussão, a ambiente é modelado como um sistema compressível simples, grande em extensão, e uniforme em temperatura To e pressão po. Os valores de To e po requeridos para análises subseqüentes são tomados por simplicidade como condições ambientais típicas, tal como 1 atm e 25oC. Entretanto, para aplicações reais a temperatura To e a pressão po podem ser especificadas diferentemente. Por exemplo, To e po podem ser tomados como a temperatura e pressão médias, respectivamente, para o local onde o sistema sob consideração opera. Se o sistema usa ar atmosférico, por exemplo, To seria especificado como a temperatura média do ar. Se ambos ar e água das vizinhanças naturais são usados, To poderia ser especificada como a média mais baixa das temperaturas para ar e água. Estados Mortos . Quando a pressão, temperatura, composição, velocidade, ou elevação de um sistema é diferente da do ambiente, existe uma oportunidade para desenvolver trabalho. À medida que o sistema muda de estado em direção ao do ambiente, a oportunidade diminui, cessando de existir quando os dois, em repouso relativo entre si, estão em equilíbrio. Este estado do sistema é chamado de estado morto . No estado morto as condições de equilíbrio mecânico, térmico e químico entre o sistema e o ambiente são satisfeitas: a pressão, temperatura e potenciais químicos do sistema igualam os do ambiente, respectivamente. Adicionalmente, o sistema tem velocidade nula e elevação nula relativas a coordenadas no ambiente. Sob estas condições, não há possibilidade de uma mudança espontânea dentro do sistema ou do ambiente, nem pode haver interação entre eles. Outro tipo de equilíbrio entre o sistema e o ambiente pode ser identificado. Esta é uma forma restrita de equilíbrio onde apenas as condições de equilíbrio mecânico e térmico necessitam ser satisfeitas. Este estado do sistema é chamado de estado morto restrito . No estado morto restrito, a quantidade fixa de matéria sob consideração é imaginada estar selada dentro de um envelope impenetrável ao fluxo de massa, à velocidade e elevação zero relativas às coordenadas no ambiente, e à temperatura To e pressão po. III.5.3 Componentes da exergia Na ausência de efeitos nucleares, magnéticos, elétricos e de tensão superficial, a exergia total de um sistema E pode ser dividida em quatro componentes:

• Exergia física EFIS • Exergia cinética ECIN

77

• Exergia potencial EPOT • Exergia química EQUI

ou E = EFIS + ECIN + EPOT + EQUI A marcação com negrito diferencia a exergia total e a exergia física de um sistema das outras quantidades de exergia, incluindo transferências associadas com fluxos de matéria. A soma das exergias física, cinética e potencial é também chamada de exergia termomecânica (MORAN&SHAPIRO, 2002, p223). Apesar da exergia ser uma propriedade extensiva, é freqüentemente conveniente trabalhar com ela em base mássica unitária ou em base molar. A exergia específica total numa base mássica e é dada por: e = eFIS + eCIN + ePOT + eQUI Quando avaliadas em relação ao ambiente, as energias cinética e potencial de um sistema são em princípio totalmente conversíveis em trabalho à medida que o sistema é trazido ao repouso relativo ao ambiente, e assim elas correspondem às exergias cinética e potencial, respectivamente. De acordo com isso

gze

ve

POT

CIN

=

= 2

2

1

onde v e z representam velocidade e elevação relativa a coordenadas no ambiente, respectivamente. E

QUIFIS egzvee +++= 2

21

Considerando um sistema em repouso relativo ao ambiente (eCIN = ePOT = 0) a exergia física é o máximo trabalho teórico útil obtenível à medida que o sistema passa de seu estado inicial onde a temperatura é T e a pressão é p ao estado morto restrito onde a temperatura é To e a pressão é po. A exergia química é o máximo trabalho teórico útil obtenível à medida que o sistema passa do estado morto restrito ao estado morto onde está em equilíbrio completo com o ambiente. Em cada caso ocorre transferência de calor apenas com o ambiente.

78

III.5.4 Exergia física Para uma ampla gama de aplicações práticas que não envolvem reação química, mistura ou separação de componentes de mistura, o conhecimento das exergias física, cinética e potencial nos vários estados de um sistema é suficiente. A avaliação explicíta da exergia química não é requerida porque o valor da exergia química é o mesmo em todos os estados de interesse e, portanto, é cancelado quando as diferenças dos valores de exergia entre os estados são calculadas. A exergia física de um sistema fechado em um estado especificado é dada pela expressão EFIS = (U – Uo) + po(V – Vo) – To(S – So) onde U, V e S representam, respectivamente, a energia interna, volume, e entropia do sistema no estado especificado, e Uo, Vo, e So são os valores das mesmas propriedades quando o sistema está no estado morto restrito. Esta expressão é derivada pela aplicação de balanços de energia e entropia a um sistema combinado consistindo de um sistema fechado e do ambiente. A exergia física, EFIS, é o valor do trabalho máximo teórico para o trabalho do sistema combinado. A variação de exergia entre dois estados de um sistema fechado em que a exergia química pode ser desconsiderada é determinada usando as equações E = EFIS + ECIN + EPOT + EQUI e EFIS = (U – Uo) + po(V – Vo) – To(S – So) resultando em E2 – E1 = (U2 – U1) + po(V2 – V1) – To(S2 – S1) + (EC2 – EC1) + (EP2 – EP1) III.5.5 Balanço de exergia Balanços de exergia, similares aos balanços de massa, energia e entropia, podem ser escritos para o sistema fechado e para um volume de controle, caso de maior aplicabilidade prática.

79

III.5.5.1 Balanço de exergia para sistema fechado O balanço de exergia para um sistema fechado é desenvolvido combinando os balanços de entropia e energia:

∫

∫

+

∂=−

−∂=−+−+−

2

1

12

2

1

121212 )()()(

gerada

b

ST

QSS

WQEPEPECECUU

onde W e Q representam, respectivamente, transferências de energia por trabalho e calor entre o sistema sob estudo e suas vizinhanças, Tb representa a temperatura da fronteira onde a transferência de energia por calor ocorre, e o termo Sgerada representa a geração de entropia devido a irreversibilidades internas. Multiplicando o balanço de entropia pela temperatura To e subtraindo a expressão resultante do balanço de energia resulta em:

∫ ∫ −−

∂−∂=−−−+−+−2

1

2

1

12121212 )()()()( geradao

b

oo STWT

QTQSSTEPEPECECUU

Agrupando os termos em Q∂ e introduzindo a equação desenvolvida para a variação de exergia entre dois estados E2 – E1 = (U2 – U1) + po(V2 – V1) – To(S2 – S1) + (EC2 – EC1) + (EP2 – EP1) obtém-se

(E2 – E1) – po(V2 – V1) = geradao

b

o STWQT

T−−∂

−∫

2

1

1

que rearranjado leva ao balanço de exergia para o sistema fechado

(E2 – E1) = { [ ] geradaoo

b

o STVVpWQT

T−−−−∂

−∫ })(1

2

1

12

ou variação de exergia = transferência de exergia + exergia destruída Para estados finais especificados, a variação de exergia no lado esquerdo da equação acima pode ser avaliada pela diferença de exergia entre dois estados, sem considerar a natureza do processo.

80

Entretanto, os termos do lado direito da equação acima dependem explicitamente do processo. O primeiro termo do lado direito da equação está associado com transferência de calor de ou para o sistema durante o processo e pode ser interpretado como a transferência de exergia associada com (ou acompanhando) a transferência de exergia por calor:

∫ ∂

−=

2

1

1 QT

TE

b

oq

O segundo termo da lado esquerdo está associado com o trabalho útil líquido e pode ser interpretado como a transferência de exergia associada com (ou acompanhando) a transferência de energia por trabalho:

)( 12 VVpWE oW −−= O terceiro termo do lado direito representa a destruição de energia devido às irreversibilidades dentro do sistema. A destruição de exergia DE está relacionada à geração de entropia por

geradaoD STE =

expressão conhecida como teorema de Gouy-Stodola. A destruição de exergia é comumente chamada na literatura como a destruição de disponibilidade, a irreversibilidade, e o trabalho perdido. Uma forma conveniente do balanço de exergia para sistemas fechados é a equação de taxa

∑ −−−

−=

jDoj

j

o Edt

dVpWQ

T

T

dt

dE ..

)(1

onde dE/dt é a taxa temporal de variação de exergia.

O termo jjo QTT.

)/1( − representa a taxa temporal de transferência de exergia

associada com transferência de calor a uma taxa jQ.

ocorrendo no local da

fronteira onde a temperatura instantânea é jT .

O termo .

W representa a taxa temporal de transferência de energia por

trabalho, e a transferência de exergia associada é dada por dtdVpW o /.

− , onde dV/dt é a taxa temporal de variação do volume do sistema.

81

DE.

representa a taxa temporal de destruição de exergia devido à irreversibilidades dentro do sistema e está relacionada à taxa de geração de

entropia dentro do sistema por geradaoD STE..

= . III.5.5.2 Balanço de exergia em volume de controle Forma geral Tal como massa, energia e entropia, exergia é uma propriedade extensiva, podendo ser transferida para dentro ou para fora de um volume de controle onde fluxos de massa entram e saem. A equação da taxa temporal de exergia pode ser escrita com termos adicionais para as transferências de exergia associadas aos fluxos de massa :

∑ ∑ ∑ −−+

−−

−=

j e s

DsseeVC

oVCj

j

oVC Eememdt

dVpWQ

T

T

dt

dE .....

1

Taxa de variação = taxas de transferência de exergia – taxa de destruição de de exergia de exergia Os subscritos e e s representam entrada e saída, respectivamente. O termo dtdEVC / representa a taxa temporal de variação de exergia do volume de controle.

O termo jQ.

representa a taxa temporal de transferência de calor no local da

fronteira do volume de controle onde a temperatura instantânea é jT , e a

transferência associada de exergia é dada por

.

,

.

1 j

j

ojq Q

T

TE

−=

O termo VCW.

representa a taxa temporal de transferência de energia por trabalho diferente de trabalho de fluxo. A transferência de exergia associada é dada por:

dt

dVpWE VC

oVCW −=..

82

onde dt

dVVC é a taxa temporal de variação do volume do volume de controle.

O termo ee em.

representa a taxa temporal de transferência de exergia na

entrada e, e eee emE..

= .

O termo ss em.

representa a taxa temporal de transferência de exergia na saída

s, e sss emE..

= .

O termo DE.

representa a taxa temporal de destruição de exergia devido a

irreversibilidades dentro do volume de controle, e geradaoD STE..

= . Forma para regime permanente

No regime permanente 0=dt

dEVC e 0=dt

dVVC

e a equação da taxa temporal é reduzida a

∑ ∑ ∑ −−+−

−=

j e s

DsseeVCj

j

o EememWQT

T .....

10

Esta equação expressa que a taxa na qual exergia é transferida para dentro do volume de controle deve exceder a taxa na qual é transferida para fora; a diferença é a taxa na qual a exergia é destruída dentro do volume de controle devido a irreversibilidades. Expressa em termos de taxas de transferência e destruição de exergia esta expressão se torna:

∑ ∑ ∑ −−+−=j e s

DseVCjq EEEWE....

,

.

0

onde .

eE e .

sE são taxas de transferência de exergia nas entradas e nas saídas, respectivamente. Transferências de exergia nas entradas e saídas do volume de controle Os termos de transferência de exergia nas entradas e nas saídas de um volume de controle, representados por ee e es , devem ser avaliados com relação ao ambiente usado para definir exergia. Conseqüentemente, a exergia

83

associada com uma corrente de matéria entrando (ou saindo) de um volume de controle é o trabalho teórico máximo que poderia ser obtido se a corrente de matéria fosse trazida ao estado morto, ocorrendo apenas transferência de calor com o ambiente. Este trabalho pode ser avaliado em dois passos como segue: No primeiro passo a corrente é trazida ao estado morto restrito, e no segundo passo, do estado morto restrito ao estado morto. A contribuição do segundo passo ao trabalho desenvolvido é a exergia química eQUI. A contribuição do primeiro passo pode ser obtida em princípio com um dispositivo como o mostrado na Figura III.3.

Figura III.3 – Volume de controle em regime permane nte com uma entrada e uma saída (Fonte: BEJAN et al . (1996, p. 61)) Para esta aplicação, as propriedades na entrada do dispositivo são as da corrente sob consideração: h, s, V, e z, enquanto na saída as propriedades correspondentes são ho, so, Vo=0, zo=0, onde ho e so representam, respectivamente, a entalpia específica e a entropia específica do estado morto restrito. Adicionalmente, a medida que transferência de calor ocorre com o ambiente apenas, a temperatura Tb na qual a transferência de calor ocorre corresponde a To. Considerando o volume de controle da Figura III.3 na condição em que a transferência de calor ocorre apenas na temperatura Tb, e representando o

fluxo de massa por .

m, o balanço da taxa de energia em regime permanente é escrito como

−+−+−+−= )()(2

1)(0 22

...

seseSeVCVC zzgvvhhmWQ

e o balanço de taxa de entropia é escrito como

84

geradase

b

VC SssmT

Q ...

)(0 +−+=

Eliminando o termo de transferência de calor entre essas expressões, o trabalho desenvolvido por unidade de massa escoando através do volume de controle é

.

.

22

.

.

)()(2

1)()(

m

STzzgvvssThh

m

W gerada

bsesesebse

VC −

−+−+−−−=

O termo entre colchetes é fixado pelos estados na entrada e na saída do volume de controle e pela temperatura Tb na qual a troca de calor ocorre. Em conseqüência, quando o termo de geração de entropia é estabelecido como zero, obtém-se uma expressão para o trabalho máximo desenvolvido por unidade de massa escoando através do volume de controle, correspondendo à ausência de irreversibilidades internas:

)()(21

)()( 22

int

.

.

sesesebse

eversívelernamenter

VC zzgvvssThhm

W −+−+−−−=

Usando esta expressão no presente caso, onde a transferência de calor ocorre na temperatura To, obtém-se que o trabalho desenvolvido na primeira etapa, por unidade de massa escoando, é:

gzvssThhm

Wooo

eversívelernamenter

VC ++−−−=

2

int

.

.

21

)()(

Para os dois passos em conjunto tem-se em uma base mássica unitária a seguinte expressão para a exergia total transferida associada com uma corrente de matéria:

QUI

ooo egzvssThhe +++−−−= 2

21

)()(

O termo (h – ho) – To(s – so) é identificado como a componente física da transferência de exergia associada a uma corrente de matéria:

)()( ooo

FIS ssThhe −−−= Ou seja, a exergia física está associada com a temperatura e a pressão de uma corrente de matéria.

85

III.5.6 Exergia química Exergia química é o componente da exergia associado com o afastamento da composição química de um sistema da composição do ambiente. A avaliação da exergia química pressupõe que as substâncias que constituem o sistema necessitam ser referidas às propriedades de um conjunto adequado de substâncias ambientais. Para excluir a possibilidade de desenvolvimento de trabalho a partir de interações químicas ou físicas entre partes do ambiente, essas substâncias de referência devem estar em equilíbrio mútuo. Porém, nosso ambiente natural não está em equilíbrio. Daí, como suposto na discussão sobre ambiente, não estão em equilíbrio espacial uniforme ou com o tempo sua temperatura, pressão e outras propriedades intensivas. Conseqüentemente, é necessário comprometer significativamente a realidade física e os requerimentos da teoria termodinâmica. Estas considerações levaram a modelos alternativos para a avaliação de exergia química e os termos ambiente de referência para exergia e ambiente termodinâmico são frequentemente usados para distinguir o conceito termodinâmico do ambiente natural. A determinação de exergias químicas baseia-se, portanto, no uso de exergias químicas padrão determinadas em relação a um ambiente padrão. III.5.6.1 Exergia química padrão Exergias químicas padrão são baseadas em valores padrão da temperatura To e da pressão po ambientais, por exemplo, 298,15 K (25 oC) e 1 atm, respectivamente. O ambiente padrão é considerado como consistindo de um conjunto de substâncias de referência com concentrações padrão refletindo tanto quanto possível o makeup químico do ambiente natural. As substâncias de referência geralmente se situam em três grupos: componentes gasosos da atmosfera, substâncias sólidas da litosfera, e substâncias iônicas e não-iônicas dos oceanos. Dois ambientes de referência para exergia padrão são aceitos para avaliações de engenharia: modelo I e modelo II. As substâncias de referência para o modelo I são determinadas assumindo restritamente equilíbrio químico para ácido nítrico e nitratos e equilíbrio termodinâmico irrestrito para todos os outros componentes químicos da atmosfera, dos oceanos, e de uma porção da litosfera.

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No modelo II uma substância de referência é selecionada para cada elemento químico dentre substâncias que contém o elemento considerado e que estão abundantemente presentes no ambiente natural, mesmo que essas substâncias não estejam em equilíbrio estável mútuo. Essas substâncias abundantes na natureza tem pequeno valor econômico. O modelo I satisfaz os requerimentos de equilíbrio da teoria termodinâmica, e ao mesmo tempo, a composição química da fase gasosa deste modelo aproxima satisfatoriamente a composição da atmosfera natural. Porém, numa análise global, a composição química do ambiente de referência para exergia do modelo II está mais próxima da composição do ambiente natural; mas o requerimento de equilíbrio geralmente não é satisfeito. Através de uma dada aplicação, apenas valores de exergia química correspondentes a um mesmo modelo devem ser usados. O termo padrão, porém, é um tanto dúbio, pois não há uma única especificação de ambiente que seja suficiente para todas as aplicações. Ainda assim, exergias químicas calculadas em relação a especificações alternativas de ambiente estão geralmente em boa concordância. Para uma ampla faixa de aplicações de engenharia a simplicidade e facilidade do uso de exergias químicas padrão geralmente compensa qualquer leve falha de precisão que possa resultar. III.6 Energia versus exergia É importante distinguir energia de exergia. Energia flui para dentro e para fora de um sistema com os fluxos de massa, transferências de calor e interações de trabalho (por ex., trabalho associado com eixos ou hastes de pistão). Energia é conservada, de acordo com a Primeira Lei da termodinâmica. Exergia, embora similar em alguns aspectos, é diferente. Exergia representa uma medida quantitativa da utilidade ou qualidade de uma forma de energia ou substância material. Mais rigorosamente, exergia é uma medida da habilidade de executar trabalho (ou potencial para trabalho) de uma ampla variedade de correntes (massa, calor, trabalho) que fluem através de um sistema. Um atributo chave da exergia é que ela torna possível comparar em uma base comum interações (inputs, outputs) que são substancialmente diferentes do ponto de vista físico.

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Outro benefício da exergia é que através da contabilização de todas as correntes de exergia de um sistema é possível determinar a extensão na qual o sistema destrói exergia. A exergia destruída é proporcional à entropia gerada. Exergia é sempre destruída em processos reais, parcial ou totalmente, em conformidade com a Segunda Lei da termodinâmica. A exergia destruída, ou a entropia gerada, é responsável por eficiências de sistemas ou processos menores do que seriam idealmente. O Quadro III.1 resume as diferenças entre energia e exergia. Quadro III.1 – Comparação entre energia e exergia Energia Exergia Apenas dependente das propriedades de fluxo de matéria ou energia, e indepen-dente de propriedades do ambiente

Dependente das propriedades de um fluxo de matéria ou energia e do ambiente

Tem valores diferentes de zero quando em equilíbrio com o ambiente (inclusive sendo igual a mc2 de acordo com a equação de Einstein)

Igual a zero quando no estado morto em virtude de estar em completo equilíbrio com o ambiente

Conservada para todos os processos, com base na Primeira Lei da termodi-nâmica

Conservada para processos reversíveis e não conservada para processos reais (onde é parcial ou completamente destruída devido a irreversibilidades) com base na Segunda Lei da termodinâmica

Não pode ser destruída nem produzida Não pode ser destruída nem produzida em um processo reversível, mas é sempre destruída (consumida) em um processo irreversível

Aparece sob muitas formas ( por ex., energia cinética, energia potencial, trabalho, calor) e é medida na forma em que aparece

Aparece em várias formas (por ex., exergia cinética, exergia potencial, trabalho, exergia térmica) e é medida com base em trabalho ou habilidade para realizar trabalho

É uma medida de quantidade É uma medida de quantidade e qualidade (Fonte: DINCER & ROSEN, 2007, p. 13) III.7 Eficiências exergéticas O conceito de qualidade da energia associa-se a sua capacidade de conversão em trabalho, que pode ser fornecida pela exergia, denominação para a parcela “útil” dos fluxos energéticos. Um fluxo de energia elétrica ou mecânica corresponde totalmente a exergia, ao passo que a exergia de um fluxo de calor depende de sua temperatura e da temperatura do ambiente. Nos processos reais de conversão energética sempre ocorre alguma destruição de exergia, que de modo distinto da energia, não se conserva.

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A entropia é um conceito muito importante relacionado com a dissipação energética e as perdas em processos de conversão energética. De um modo geral, a variação de entropia em um processo pode ser calculada por:

gerada

reversível

ST

QS +

=∆

A variação de entropia comporta dois termos: uma parcela reversível, determinada pela troca de calor, e uma parcela irreversível ou gerada, cuja magnitude é proporcional às perdas no processo. A variação de entropia permite medir a perfeição de um processo qualquer de conversão energética. Por exemplo, em sistemas adiabáticos (troca de calor nula) os processos ideais devem ser isentrópicos (variação de entropia nula), apresentando, portanto, entropia gerada nula. Em processos reais sempre existem imperfeições e perdas, e a entropia tende a aumentar, podendo se afirmar que “a entropia do Universo tende a um máximo”. Na geração de entropia um potencial para produzir trabalho é perdido como calor, ou seja, a energia se degrada em qualidade. O trabalho perdido, também chamado de irreversibilidade, relaciona-se com a entropia pelo Teorema de Gouy-Stodola:

ilidadeIrreversibSTW geradaoperdido ==

onde To refere-se à temperatura ambiente. Em síntese, processos reais de conversão energética apresentam perdas, que podem ser avaliadas em termos da geração de entropia ou da destruição de exergia, correspondendo sempre à redução da qualidade do fluxo energético e produção de calor. Ao contrário do rendimento energético, baseado na Lei da Conservação da Energia e apresentado no item III.2 acima, o rendimento exergético ou eficiência exergética fundamenta-se na Primeira e na Segunda Leis da termodinâmica e apresenta várias formulações, algumas delas dadas a seguir. A Figura III.4 a seguir apresenta um sistema genérico considerado para a determinação deste parâmetro de desempenho, devendo-se observar que como produto tem-se as parcelas de exergia utilizada, exergia perdida (associada à geração de entropia) e exergia não utilizada.

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Figura III.4 – Sistema energético generalizado, con siderando os fluxos de exergia (Fonte: Marques et al . (2006, p. 26)) A primeira formulação (LIZARRAGA, 1987 apud MARQUES, 2006):

consumida

útil

Ex

Ex=1ε

considera a razão entre a exergia necessária para alcançar um determinado objetivo através de um processo totalmente reversível e a exergia consumida num processo real para atingir o mesmo objetivo. Essa formulação é similar ao rendimento isentrópico de uma turbina. A segunda formulação (LIZARRAGA, 1987 apud MARQUES, 2006):

consumida

danãoutilizaútil

Ex

ExEx +=2ε

é similar à definição do rendimento energético e indica que parcela da exergia fornecida ao processo é convertida. A terceira formulação (LIZARRAGA, 1987 apud MARQUES, 2006):

danãoutilizaconsumida

útil

ExEx

Ex

+=3ε

considera que a exergia empregada no processo é somente a diferença entre a exergia suprida e a exergia dos fluxos residuais. O rendimento 2ε , denominado grau de perfeição (BEYER e FRAZSCHER apud SZARGUT, 1980 apud MARQUES et al., 2006) é usado sempre que se pode definir claramente um produto para o processo sendo analisado como é o caso da determinação do rendimento exergético de uma caldeira e de uma central termoelétrica. Por outro lado, quando se está analisando partes de um processo, usa-se geralmente 3ε no caso de fluxos residuais constituírem o suprimento de exergia

da etapa seguinte do processo e 2ε caso a etapa analisada seja terminal, com os fluxos residuais sendo lançados no meio ambiente.

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Nos processos puramente dissipativos, onde é impossível distinguir com clareza um produto, como é o caso dos processos de mistura, estrangulamento, etc., deve-se calcular o rendimento exergético através da formulação abaixo (BOSNAJAKOVIC apud SOUZA, 1967 apud MARQUES et al., 2006) :

∑∑∑ −==

cessoentranoprocessoentranopro

ssosaidoproce

Ex

ilidadeIrreversib

Ex

Ex14ε

Nesses processos, o rendimento energético perde seu sentido de ser, pois a energia é sempre conservada. O Quadro III.2 apresenta uma comparação de rendimentos energético e exergético para alguns processos e equipamentos, apresentando valores semelhantes em alguns casos e muito diferentes em outros. Quadro III.2 – Eficiências energéticas e exergética s (GALLO e MILANEZ (1990) apud MARQUES et al. (2006))

Sistema Rendimento Energético Exergético Central a Vapor (200 MW) 0,41 0,40 Turbina a Gás (25 MW) 0,30 0,30 Motor Diesel (20.000 HP) 0,40 0,40 Motor Elétrico (5 HP) 0,70 0,70 Turbina a Vapor (50 MW) 0,90 0,85 Sistema de Cogeração (10 MW) 0,75 0,33 Queimador de GLP, doméstico 0,90 0,50 Aquecedor Elétrico de Água 0,60 0,10 Caldeira (200 ton/h) 0,93 0,08 Sistema de Ar Condicionado (COP=2,5) - 0,17 Refrigerador Doméstico (COP=0,9) - 0,10 Bomba de Calor (COP=3,5) - 0,60 (Fonte : Marques et al . (2006, p. 27)) Observa-se no Quadro III.2 que no aquecimento devido à energia elétrica, onde apesar da conservação da energia, é evidente sua degradação, pela conversão de energia de alta qualidade como energia elétrica em calor de baixa temperatura. Ainda no Quadro III.2, em equipamentos usados para a produção de baixas temperaturas não se definem eficiências energéticas, usando-se o coeficiente de performance, COP, como indicador de desempenho, que relaciona o efeito frigorífico obtido pelo sistema e a demanda de potência eletromecânica associada. III.8 Análise exergética A termodinâmica permite a descrição do comportamento, desempenho e eficiência de sistemas para a conversão de uma forma de energia em outra

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forma de energia. A análise termodinâmica convencional é baseada primariamente na Primeira Lei da termodinâmica, ou Princípio da Conservação de energia. A análise energética é o método tradicional de acessar a maneira pela qual a energia é usada em uma operação envolvendo o processamento físico ou químico de materiais e a transferência e/ou conversão de energia. Isto usualmente é atingido executando-se balanços de energia, baseados na Primeira Lei da termodinâmica, e avaliando-se eficiências energéticas. Os balanços energéticos são empregados para determinar e reduzir emissões de energia residual tais como perdas de calor e, algumas vezes, para melhorar a recuperação de calor e de resíduos. Uma análise energética de um sistema de conversão de energia é essencialmente uma contabilização das energias entrando e saindo. A energia saindo pode ser desmembrada em produtos e resíduos. Eficiências são avaliadas como razões entre quantidades de energia, e são utilizadas para acessar e comparar vários sistemas. Entretanto, um balanço energético não provê informação sobre a degradação de energia ou de recursos durante um processo e não quantifica a utilidade ou qualidade dos vários fluxos materiais e de energia fluindo através de um sistema e existindo como produtos e resíduos. Portanto, eficiências energéticas são freqüentemente enganosas, pois não é sempre que elas provêem uma medida do quanto o desempenho de um sistema se aproxima da idealidade. Conseqüentemente, as perdas termodinâmicas que ocorrem dentro de um sistema (isto é, aqueles fatores que fazem com que o desempenho se desvie da idealidade) em geral não são precisamente identificadas e acessadas através da análise energética. Os resultados da análise energética podem indicar a localização errada das principais ineficiências dentro do sistema. Como conseqüência, a eficiência tecnológica será diferente da eficiência real. A análise exergética é uma técnica de análise termodinâmica baseada na Segunda Lei da termodinâmica que provê um método alternativo de acessar e comparar processos e sistemas de forma racional e significativa. A análise exergética fornece eficiências que provêem uma medida verdadeira de quanto o desempenho real se aproxima do ideal e identifica mais claramente do que a análise energética as causas e localizações das perdas termodinâmicas (DINCER & ROSEN, 2007). Quando é executada uma análise de exergia em uma planta tal como uma estação de potência, uma planta de processamento químico ou uma facilidade de refrigeração, as imperfeições termodinâmicas podem ser quantificadas como destruição de exergia, que representa perdas na qualidade ou utilidade da energia (por ex. trabalho de eixo perdido ou potencial para produção de trabalho de eixo perdido).

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A análise exergética leva em conta os diferentes valores termodinâmicos de diferentes formas e quantidades de energia, por ex. trabalho e calor. A transferência de exergia associada com trabalho de eixo é igual ao trabalho de eixo. A transferência de exergia associada com transferência de calor, entretanto, depende da temperatura na qual ela ocorre em relação à temperatura do ambiente. A análise exergética é um método e ferramenta eficiente para (DINCER & ROSEN, 2007, p. 12):

• Combinar e aplicar os princípios da conservação da massa e da energia conjuntamente com a Segunda Lei da termodinâmica para o design e análise de sistemas energéticos.

• Melhorar a eficiência de uso da energia e do uso de outros recursos (identificando eficiências que sempre medem a aproximação à idealidade bem como as locações, tipos e reais magnitudes de perdas e resíduos).

• Revelando se é possível ou não, e por quanto, projetar sistemas mais eficientes pela redução de ineficiências em sistemas existentes.

• Endereçar o impacto da utilização de energia e outros recursos no ambiente, e reduzir ou mitigar este impacto.

• Identificar se um sistema contribui para atingir o desenvolvimento sustentável ou se é insustentável.

Como o valor da exergia de um sistema ou fluxo depende do estado de ambos o sistema ou fluxo e um ambiente de referência, um ambiente de referência deve ser especificado antes de executar a análise exergética. O ambiente é freqüentemente modelado como um ambiente de referência similar ao ambiente real no qual um sistema ou fluxo existem. Esta habilidade em estabelecer o ambiente de referência para igualar o ambiente local atual é uma vantagem da análise exergética. O método de análise exergética supera as limitações da Primeira Lei da termodinâmica, pois o conceito de exergia é baseado na Primeira e na Segunda Leis da termodinâmica. A análise exergética também pode quantificar a qualidade do calor em uma corrente residual. Um objetivo principal da análise exergética é identificar eficiências significativas e as causas e reais magnitudes das perdas de exergia.

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IV. DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL, SUSTENTABILIDADE E EXERGIA IV.1 Meio ambiente, energia e exergia IV.1.1 A questão ambiental e o desenvolvimento sust entável Concernente à questão ambiental, Santa Rosa (2007) observa que as preocupações do homem com o meio ambiente remontam ao século XVIII e se exacerbam após a Segunda Guerra Mundial, quando foram observadas catástrofes atribuídas às atividades industriais, e traça breve histórico da progressão da questão ambiental no século passado:

- Surge em Londres, em 1952, o smog , imensa nuvem negra carregada com poluição ambiental que vitimou milhares de pessoas.

- Nos anos 50, o Japão passa a sofrer os efeitos do envenenamento de seres humanos por metais pesados dispostos no meio ambiente, especialmente mercúrio.

- Em 1952, a bióloga norte-americana Rachel Carson lança o livro Silent Spring (Primavera Silenciosa).

- Surge, na década de 1960, o movimento ambientalista.

- Em 1968, a revista norte-americana Science publica o artigo The Tragedy of the Commons (A Tragédia dos Comuns) de Garret Hardin, em que ele previa que o crescimento populacional desregulado e a falta de regras de acesso aos recursos naturais seriam as principais causas do esgotamento dos recursos naturais.

- Em 1972, é realizada a Conferência de Estocolmo – Conferência das Nações Unidas sobre o Meio Ambiente Humano, primeira conferência mundial sobre o estado do meio ambiente, cuja missão foi formular e projetar padrões de comportamento coletivo compatíveis com o crescimento e a diversidade humana, e que se caracterizou como sendo a primeira institucionalização da questão ambiental em escala global.

- Em 1972, é lançado, por encomenda do Clube de Roma, o relatório The Limits of Growth (Os Limites do Crescimento) de Dennis Meadows. Este relatório foi um reflexo das preocupações existentes nas sociedades ocidentais, nos anos 60 e 70, com industrialização acelerada, crescimento populacional rápido, aumento da desnutrição, desgaste e desaparecimento dos

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recursos não-renováveis, e a deterioração ambiental, e cujo principal aspecto foi propor a necessidade de diminuir o desperdício de recursos naturais e a contaminação ambiental.

- Ainda em 1972, a Assembléia Geral das Nações Unidas (ONU) cria o Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (UNEP – United Nations Environmental Program, PNUMA no Brasil), caracterizado por ser um programa abrangente de coordenação de políticas, e reconhecendo na criação de tal programa que problemas ambientais de significado internacional amplo deveriam ser tratados sob a égide da ONU.

- Em 1992, realiza-se no Brasil a Conferência das Nações Unidas sobre o Meio Ambiente e Desenvolvimento, a ECO-92, que caracterizou um deslocamento nas grandes discussões políticas e diplomáticas do eixo leste-oeste (países capitalistas versus socialistas) para o eixo norte-sul (países desenvolvidos versus em desenvolvimento), dando vazão ao efeito do fenômeno chamado de globalização (SANTA ROSA, 2007, p 24-27).

Também Lemos (1991 apud MARTINS, 2006) enumera os seguintes fatores que propiciaram a consciência social e política a respeito dos problemas ambientais: explosão populacional a partir do final da Idade Média; industrialização a partir do final da Segunda Guerra Mundial; e a urbanização acelerada. Delgado (2007) apresenta algumas considerações sobre a situação do mundo no que tange ao problema ambiental, observando que, apesar dos esforços globais sobre o estado do meio ambiente desdobrados no século passado, os problemas ambientais continuam a se manifestar. Este autor enumera os principais problemas ambientais globais: degradação do solo, degradação das florestas, redução da biodiversidade, redução da disponibilidade de água doce, degradação costeira e marinha, aquecimento global, chuvas ácidas, depleção da camada de ozônio e disposição de resíduos urbanos. A questão do desenvolvimento foi relacionada com a questão ambiental pela primeira Conferência da ONU sobre o Meio Ambiente Humano, realizada em Estocolmo. A Declaração de Estocolmo, conforme Martins (2006, p.32), “sustentava que em caso de dúvida, o desenvolvimento econômico tinha prioridade sobre a proteção ambiental”. Nesta primeira conferência da ONU, o Clube de Roma, criado em 1968 e formado por cientistas e acadêmicos empenhados em estudar e propor soluções para os problemas ambientais decorrentes da expansão demográfica, através da publicação do relatório The Limits to Growth, introduziu na discussão econômica o tema da finitude dos recursos ambientais. Segundo Martins (2006, p. 33), “o livro rompeu com a idéia de ausência de limites para exploração dos recursos naturais, em clara contraposição à idéia dominante de crescimento contínuo da sociedade industrial”. O relatório considerou cinco diferentes variáveis no estudo sobre impactos ambientais: industrialização crescente, população em expansão, má nutrição em expansão, recursos naturais não-renováveis em declínio e meio

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ambiente em deterioração. O estudo determinou um prazo de 100 anos para que os limites do planeta fossem alcançados. Iniciava-se a discussão sobre a relação entre desenvolvimento e crescimento que seria travada nos anos a seguir (MARTINS, 2006). A idéia de desenvolvimento sustentável deriva do conceito de ecodesenvolvimento proposto em 1972 por Maurice Strong, Secretário Geral da Primeira Conferência das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento, num contexto de controvérsia sobre as relações entre crescimento econômico e meio ambiente (NUNES, 2005). O ecodesenvolvimento propunha uma nova orientação para uma ampla satisfação das necessidades de toda a população; uma autonomia nas decisões; uma conscientização da dimensão ecológica de desenvolvimento, isto é, o estabelecimento de uma harmonia entre o homem e a natureza (MUYLAERT, 2000). Segundo Lima (2000), a primeira formulação do conceito de desenvolvimento sustentável foi feita pela “International Union for the Conservation of Nature” – IUCN, no início da década de 80. A oficialização do termo desenvolvimento sustentável originou-se da Comissão Mundial sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento (CMMD, ou World Comission on Environment and Development - WCED) das Nações Unidas, criada em 1983 pela Assembléia Geral das Nações Unidas, que ficou conhecida como Comissão Brundtland, pois era presidida por Gro Harlem Brundtland, ex-primeira ministra da Noruega (NUNES, 2005). Em 1987, a comissão Brundtland definiu originalmente, em seu relatório Our Common Future (Nosso Futuro Comum, também conhecido como Relatório Brundtland), o desenvolvimento sustentável como “o desenvolvimento que atende às necessidades do presente sem comprometer as necessidades das gerações futuras” (BRUNDTLAND, 1987 apud DELGADO, 2007). Esta definição ficou caracterizada como “um conceito político, um conceito amplo para o progresso econômico e social” (AMAZONAS, 2002 apud MARTINS, 2006). O conceito levou à institucionalização da problemática ambiental (MARTINS, 2006). O conceito formal de desenvolvimento sustentável não envolve limites absolutos: ele adverte para limitações impostas pelo estágio atual da tecnologia e da organização social e institucional dos países e sua influência sobre os recursos naturais e o meio ambiente (NUNES, 2005). A partir de 1992, na Conferência das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento, em que se deu a assinatura da Convenção sobre o Clima e da Convenção sobre a Biodiversidade, formalizou-se a discussão sobre a sustentabilidade do desenvolvimento econômico dos países, e iniciaram-se esforços nacionais e internacionais para a realização do desenvolvimento sustentável no século XXI, a Agenda 21, abrangente conjunto de metas com o qual mais de 170 países se comprometeram por ocasião da conferência.

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Nunes (2005) observa que o conceito de desenvolvimento sustentável é bastante complexo, sendo necessárias mudanças fundamentais na forma de pensar, viver, produzir e consumir de todo o planeta, cada nação com suas peculiaridades, mas todas objetivando satisfazer as necessidades atuais sem comprometer o atendimento das necessidades das gerações futuras. Trata-se de um conceito teleológico, uma definição que engloba regras gerais de atuação em prol de finalidades também gerais, dizendo “o que se pretende”, mas não, de fato, o “que é”. Trata-se de um somatório de princípios, que pode apresentar certa ambigüidade na sua aplicação. É menos um conceito segundo um rigor científico e mais uma práxis. É um objetivo a ser alcançado através da trajetória de desenvolvimento de longo prazo das sociedades. A par dos desdobramentos para implantação do desenvolvimento sustentável nos países, um novo campo técnico se delineou, o do estudo da sustentabilidade e dos indicadores do desenvolvimento sustentável. Martins (2006) cita a necessidade de produção de estatísticas ambientais confiáveis, que só são possíveis de serem obtidas através da criação e disseminação de indicadores. Tais indicadores são informações necessárias aos tomadores de decisão e gestores de vários níveis na busca e implementação de ações para o desenvolvimento sustentável. Portanto, a par de sua intrínseca dificuldade conceitual e operacional, e da controvérsia existente, está proposta a discussão sobre a mensurabilidade do desenvolvimento sustentável, bem como de seus indicadores. Nunes (2005) observa que a promoção da sustentabilidade humana e a transição para o desenvolvimento sustentável encontram-se amplamente relacionados com o uso da energia, e refletem a necessidade de adequado suprimento energético e aumento do consumo de energia, principalmente nos países em desenvolvimento, onde o aumento do nível dos serviços energéticos pode ter impactos benéficos no crescimento econômico, na redução da pobreza e no aumento da qualidade de vida. Daí conclui que, ao lado da questão da exaustão dos recursos energéticos, a eqüidade social e os impactos ambientais tornaram-se pontos críticos relacionados à energia, no âmbito da sustentabilidade. Nunes relata:

“a busca de um novo paradigma, onde o uso da energia considere os impactos econômicos, sociais e ambientais; dê ênfase ao desenvolvimento de um amplo portfólio de recursos energéticos e de tecnologias limpas, à expansão dos serviços energéticos, à universalização do acesso e ao aumento da eficiência; busque maneiras para internalizar as externalidades negativas; e reconheça a importância do nosso futuro comum e da necessidade de se garantir o bem-estar das futuras gerações” (UNDP, 2000 apud NUNES, 2005).

A energia é um insumo essencial para o desenvolvimento social e o crescimento econômico dos países, uma vez que ela satisfaz necessidades e serviços básicos e é um dos principais fatores de produção em praticamente todos os setores da indústria. Por outro lado, é também, freqüentemente, causa

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de degradação ambiental, afetando adversamente a saúde e a vida (NUNES, 2005). Constata-se que a relação entre energia e sustentabilidade se evidencia no discurso institucional e técnico, situando-se como linha mestra das discussões acerca da busca do desenvolvimento sustentável. IV.1.2 Conservação de energia A seguir prossegue-se com uma discussão sobre energia e sua conservação desenvolvida com base nos textos de referência HINRICHS & KLEINBACH (2003) e MARQUES (2006). A energia é um dos principais constituintes da sociedade moderna. Ela é necessária para criar bens a partir dos recursos naturais e para fornecer muitos dos serviços dos quais a sociedade se beneficia. O desenvolvimento econômico e os altos padrões de vida são processos complexos que exigem disponibilidade de um abastecimento adequado e confiável de energia. A modernização do Ocidente e a construção de uma sociedade urbana e rica só foi possível pela utilização de tecnologia moderna baseada em uma ampla série de avanços científicos, energizados por combustíveis fósseis. A década de 70, marcada pelas crises de petróleo, desencadeou uma crescente preocupação com o meio ambiente. Cada um dos grandes temas ambientais – o aquecimento global, a chuva ácida, os resíduos radioativos, as mudanças climáticas – está relacionado com a forma como a energia é usada. A energia permeia todos os setores da sociedade – economia, trabalho, ambiente, relações internacionais –, assim como as nossas próprias vidas pessoais – moradia, alimentação, transporte, lazer e muito mais. O uso dos recursos energéticos libertou o homem de muitos trabalhos penosos e tornou seus esforços mais produtivos. Atualmente, menos de 1% do trabalho feito nos países industrializados depende da força muscular como fonte de energia. Os suprimentos de energia são fatores limitantes primordiais de desenvolvimento econômico. O mundo é interdependente e o acesso a recursos energéticos adequados e confiáveis é central para o crescimento das economias, sendo a energia global altamente dependente do petróleo. A energia é encontrada em muitas formas, como o vento ou a água corrente, e é armazenada em matéria, como os combustíveis fósseis – petróleo, carvão, gás natural – que pode ser queimada para geração de energia útil. Não podemos ver a energia, apenas seus efeitos; não podemos fazê-la, apenas usá-la; e não podemos destruí-la, apenas desperdiçá-la, ou seja, usá-la de forma ineficiente.

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Um princípio muito importante é que a energia é uma quantidade conservada, ou seja, a quantidade total de energia no universo é uma constante. A energia não é criada ou destruída, mas apenas convertida ou redistribuída de uma forma para outra, como, por exemplo, a energia eólica é transformada em energia elétrica. Entender a energia significa entender os recursos energéticos e suas limitações, bem como as conseqüências ambientais da sua utilização. Energia, meio ambiente e desenvolvimento econômico estão forte e intimamente conectados. Desde 1980, o consumo global de energia aumentou 25%. Muito deste crescimento global aconteceu nos países menos desenvolvidos. Nas próximas duas décadas, estima-se que o consumo de energia irá aumentar em torno de 100% nos países em desenvolvimento. Juntamente com este crescimento, observou-se o declínio da qualidade do ar urbano e a séria e intensa degradação do solo e das águas. O uso contínuo dos combustíveis fósseis continua a aumentar as emissões de dióxido de carbono, que podem alterar irreversivelmente o clima da Terra. O uso adequado da energia requer que se leve em consideração tanto as questões sociais como as tecnológicas. O crescimento sustentável neste século apenas pode ser possível com o uso bem planejado e eficiente dos limitados recursos energéticos e o desenvolvimento de novas tecnologias de energia. A energia total consumida durante qualquer atividade pode ser considerada como o produto de dois fatores: Consumo total de energia = energia demandada pela atividade (intensidade) x freqüência da atividade O fator chamado de intensidade de uso é a quantidade de energia necessária para realizar a tarefa e o nível de atividade é o número de vezes que a tarefa é realizada – a freqüência. Estes dois fatores podem ser representados em um gráfico (Figura IV.1), no qual as quantidades estão indicadas pelos eixos x e y. O produto deles, o consumo total de energia pela atividade, é representado pela área do retângulo. A figura mostra dois retângulos, ambos com a mesma área representando a mesma quantidade total de energia consumida. No caso do retângulo (a), uma alta freqüência de atividade foi possível porque a intensidade do uso (energia requerida pela atividade) foi baixa. No retângulo (b), a mesma quantidade de energia foi consumida, mas com uma maior intensidade (mais energia requerida pela atividade), e então foi necessário reduzir a freqüência daquela atividade.

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Figura IV.1 – Caracterização do uso total de energi a como uma função da intensidade do uso e da freqüência da atividade (Fonte: HINRICHS & KLEINBACH (2003, p. 21)) Os esforços de conservação de energia normalmente se concentram em um ou em outro destes fatores. Conforme a Figura IV.1, a conservação de energia se esforça para reduzir o tamanho do retângulo que representa o total de energia usada. As duas abordagens são: 1. O “ajuste técnico”, que consiste na utilização mais eficiente do combustível para desempenhar a mesma tarefa, como, por exemplo, dirigir um carro com um motor mais eficiente, reduzindo a energia requerida por esta atividade. 2. A “mudança no estilo de vida”, que significa a utilização consciente de uma menor quantidade de combustível, por meio de comportamentos como desligar o ar-condicionado ou dirigir por percursos menores – reduzindo, assim, a freqüência da atividade. O sucesso máximo possível dos ajustes técnicos para conservação de energia é limitado pelas leis da física: a Primeira e a Segunda Leis da Termodinâmica. Entretanto, ainda existe muito campo para melhoramentos nesta abordagem da conservação de energia, especialmente com relação ao uso eficiente da energia para a realização de determinadas tarefas. Na conservação de energia, as questões são muito mais do que apenas tecnológicas porque o consumo de energia também depende da “freqüência da atividade”. Marques (2006) define energia como: “É a capacidade de realizar trabalho.

Para a realização de qualquer tarefa é necessário fazer uso de uma capacidade interna ou externa ao homem, que chamamos de energia.

Ou, ainda, “aquilo que permite a mudança na configuração de um sistema vencendo a força que se opõe a essa mudança” (Maxwell – 1872)” (MARQUES, 2006, p. 10).

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O uso eficiente de energia elétrica é definido como “Conceito de conteúdo tecnológico voltado para a utilização de processos e equipamentos que tenham o melhor desempenho na produção dos serviços com um menor consumo de eletricidade” (MARQUES, 2006, p. 10). Conservação de energia pode ser definida como:

“Conceito sócio-econômico que traduz a necessidade de se retirar do planejamento da expansão do sistema elétrico, a componente referente ao desperdício. Isso permite a redução dos investimentos no setor elétrico, sem comprometer o fornecimento de energia e qualidade de vida” (MARQUES, 2006, p. 11).

Marques (2006) ressalta que este termo é dúbio e que merece maiores reflexões, e apresenta dois caminhos para conservar a energia:

“1. vertente humana: o cidadão recebe informações compatíveis, que o auxiliam a se inserir no contexto da nova situação, induzindo-o à mudança de hábitos, atitudes e futura mudança de comportamento;

2. vertente tecnológica: através de treinamento específico, o técnico é inserido nas questões da eficiência energética, entrosando-se com novas técnicas e tecnologias, tanto de equipamentos como de processos, reduzindo significativamente o consumo de energia de uma instalação, sem comprometer o produto final” (MARQUES, 2006, p.11).

IV.1.3 Eficiência energética A principal causa de problemas ambientais decorrentes do uso de energia é o uso de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás) seja na produção de eletricidade, no setor de transportes ou na indústria. Os combustíveis fósseis respondem por mais de 80% do consumo atual de energia mundial. O uso mais eficiente da energia reduz os problemas ambientais e também estende a vida das fontes de combustível fóssil (GOLDEMBERG & VILLANUEVA, 2003). Segundo Goldemberg & Villanueva (2003), existem várias possibilidades para aumentar a eficiência da utilização das fontes primárias de energia. A Figura IV.2 sugere essas possibilidades:

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Figura IV.2 – Os potenciais de eficiência energétic a (Fonte: GOLDEMBERG & VILLANUEVA (2003, p. 126))

• “ O potencial teórico representa o que se pode atingir com base em considerações termodinâmicas nas quais os serviços decorrentes do uso de energia (como o ar condicionado ou a produção de aço) não são reduzidos, mas a demanda por energia e as perdas são minimizadas por meio do processo de substituição, reutilização de materiais, calor e perdas.

• O potencial técnico representa economias de energia que resultam do uso das tecnologias mais eficientes do ponto de vista energético, as quais são comercialmente disponíveis, sem levar em conta considerações econômicas.

• O potencial de mercado é o que se espera obter dadas as condições de contorno (tais como o preço da energia, as preferências dos consumidores e as políticas públicas). O potencial de mercado reflete os obstáculos e imperfeições de mercado que fazem com que o potencial técnico seja atingido.

• O potencial econômico representa as economias de energia que seriam obtidas se todas as adaptações e substituições fossem feitas utilizando as tecnologias mais eficientes e que fazem sentido econômico com o preços da energia no mercado. O potencial econômico implica um mercado que funcione bem com competição entre novos investimentos no suprimento e demanda de energia e no qual as informações necessárias para a tomada de decisões estejam disponíveis.

• O potencial social representa economias de energia nas quais “externalidades” são levadas em conta, tais como os custos dos danos causados ou evitados na saúde, poluição do ar e outros impactos ecológicos.” (GOLDEMBERG & VILLANUEVA, 2003, pg. 126-127).

Globalmente, a eficiência energética do atual sistema energético é de 37%, mas se acredita que, nos próximos 20 anos, nos países da OECD, serão observadas reduções de 25% a 35%, e nos países em desenvolvimento de 30% a mais de 45% (GOLDEMBERG & VILLANUEVA, 2003). Com efeito, desde 1990, a taxa de melhoria da eficiência energética global tem sido bem menor do que em décadas anteriores (OECD/IEA, 2008).

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Um progresso enorme tem sido obtido utilizando-se métodos técnicos de aumento de eficiência energética em muitas áreas da indústria e do setor de transporte, bem como na produção de eletricidade nos países industrializados. Esse processo foi acelerado pelo grande aumento dos preços do petróleo na década de 1970 e pelo temor de uma dependência exagerada desse combustível importado do Oriente Médio. Contudo, muito antes disso, o setor produtivo percebeu que os custos poderiam ser reduzidos por meio de mudanças tecnológicas. Dessa forma, a quantidade de energia usada é reduzida e, como um subproduto, são reduzidas as emissões de substâncias prejudiciais ao meio ambiente, particularmente SO2 e CO2 (GOLDEMBERG & VILLANUEVA, 2003). A eficiência energética é um componente da eficiência econômica, mas raramente é o componente dominante. Apesar de os especialistas em energia considerarem-na como algo especial, o setor produtivo a considera apenas como um ingrediente da produção, assim como a mão-de-obra, o capital e as matérias-primas. É por essa razão que a racionalização do uso da energia não evoluiu muito durante as primeiras décadas do século XX, sobretudo numa época em que a energia era abundante e barata (GOLDEMBERG & VILLANUEVA, 2003). Porém, o movimento ambiental da década de 1970, trazendo em seu bojo mudanças nas preferências do público e altos custos para as indústrias, foi muito eficaz em alterar as estratégias das indústrias no sentido de minimizar a emissão de poluentes e levá-las a adotar medidas de eficiência energética (GOLDEMBERG & VILLANUEVA, 2003). IV.1.4 Conservação de exergia Exergia não é uma variável conservada, como energia. Ela pode ser adquirida ou perdida em processos físicos. Entretanto, exergia pode ser acumulada. Ela também pode ser estocada em minérios ou combustíveis fósseis, por exemplo. Finalmente, os fluxos de exergia para dentro e para fora de sistemas ou de qualquer subsistema são definíveis e mensuráveis (AYRES, 1998). Exergia é definida como o trabalho potencial que pode ser extraído de um sistema por processos reversíveis à medida que o sistema entra em equilíbrio com suas vizinhanças. Ela é, de fato, a parte útil da energia e é o que muitas pessoas querem dizer quando usam o termo ‘energia’ sem o devido cuidado (como em economia) (AYRES, 1998). Exergia, então, é definida formalmente como a máxima quantidade de trabalho que um subsistema pode fazer em suas vizinhanças quando se aproxima do equilíbrio termodinâmico reversivelmente (AYRES, 1998). Exergia é proporcional ao potencial de produção futuro de entropia mas tem unidades de energia (AYRES, 1998).

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Há quatro componentes da exergia: (i) exergia cinética, associada com o movimento relativo; (ii) exergia de campo potencial, associada com diferenciais de campos gravitacionais ou eletromagnéticos; (iii) exergia física (de diferenciais de pressão ou temperatura); e (iv) exergia química (que aparece de diferenças em composição química). A exergia só é diferente de zero quando o sistema sob consideração é distinguível de suas vizinhanças (o meio ambiente) em uma ou mais destas quatro dimensões (AYRES, 1998). Considerando fluxos de massa para dentro e para fora de processos econômicos (ou seja, industriais), os três primeiros componentes da exergia podem ser desprezados de forma segura. Apenas a última das quatro categorias, composição química, é importante. Em conseqüência, para calcular a exergia química de um fluxo de massa é necessário apenas ter dados de sua composição química vis-a-vis do meio ambiente para o qual ele flui (AYRES, 1998). Ayres (1998) revisa de forma concisa e objetiva os princípios da metodologia de cálculo da exergia química de um fluxo de massa. Rosen (2002) considera que o uso do termo conservação de exergia poderá mais eficientemente endereçar problemas e pontos de debate relacionados à energia. Rosen (2002) considera o termo conservação de energia um termo amplamente usado porém indefinido, seu uso estando propenso a causar confusão e ilusão. Segundo ele, por um lado, conservação de energia não é nada mais do que a afirmação do princípio da conservação de energia, que está embutido na Primeira Lei da Termodinâmica. Por outro lado, o termo conservação de energia normalmente tem um significado muito diferente quando usado por pessoas leigas, e, às vezes, inclusive, por pessoas de áreas técnicas. O autor argumenta que a exergia pode auxiliar a esclarecer essa dualidade de pontos de vista sobre conservação de energia de uma maneira racional e significativa. Mais ainda, o autor acredita que exergia pode auxiliar a esclarecer esta confusão, preservando o uso apropriado do termo conservação de energia como uma afirmação de um princípio científico, enquanto dá entendimento apropriado ao significado subentendido por muitas pessoas quando discutem conservação de energia. Daí, o autor propõe que o significado neste último caso é melhor expresso através do termo conservação de exergia. Segundo Rosen (2002), para a maioria das pessoas, muitos significados são expressos pelo termo conservação de energia, significados estes relacionados à solução de problemas considerando recursos energéticos ou tecnologias. Alguns exemplos destes significados de conservação de energia são:

• Aumento da eficiência de dispositivos e processos de forma que eles usem menos recursos energéticos para prover os mesmos níveis de serviços ou produtos, por meio disso preservando os recursos energéticos. O aumento de eficiência pode ser atingido

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através de melhorias incrementais em dispositivos ou processos existentes, ou por alterações relevantes de design;

• Redução dos requerimentos de energia, reconsiderando para o que a energia está sendo usada, esperando encontrar caminhos para satisfazer os objetivos globais usando menos recursos energéticos. No setor elétrico de uma economia, este conceito envolve a redução das demandas de energia elétrica dos consumidores;

• Mudando estilos de vida de maneira a usar menos recursos energéticos, por exemplo, substituindo o uso de automóveis por bicicletas e transporte de massa;

• Substituindo recursos energéticos que se deseja preservar por recursos energéticos alternativos, como, por exemplo, substituir sistemas de aquecimento a gás natural por energia solar.

Porém, o autor ressalta que, do ponto de vista termodinâmico, o termo conservação de energia simplesmente considera a afirmação de uma lei ou princípio científico. A questão que o autor coloca trata de como pode a conservação de energia ser a essência de um princípio científico ou lei enquanto simultaneamente reflete uma ampla variação de objetivos para solucionar problemas relacionados à energia. Rosen (2002) esclarece que a exergia é baseada na Primeira e Segunda Leis da termodinâmica. É a Segunda Lei que define um processo ou dispositivo ideal ou perfeito como aquele que é reversível. Esta idéia pode ser claramente compreendida porque a energia é conservada em qualquer sistema – ideal ou não – enquanto a exergia só é conservada para um dispositivo ou processo ideal ou perfeito. A exergia não é conservada em processos ou dispositivos reais. Desta maneira, se a busca é de perfeição termodinâmica, a conservação de exergia é um alvo lógico e significativo que é completamente consistente com o objetivo. Conservação de energia não é, e, de fato, é absolutamente desprovida de significado quanto a essa visão de perfeição termodinâmica. Estas idéias são consistentes com as afirmações de Tsatsaronis & Valero (1989, apud ROSEN, 2002) :

“ a análise energética geralmente falha para identificar desperdício ou o uso efetivo de combustíveis e recursos. Por exemplo, a Primeira Lei não reconhece qualquer desperdício em um processo de estrangulamento adiabático – um dos piores processos do ponto de vista termodinâmico”.

Eles continuam afirmando “a análise exergética ... calcula a energia útil associada com um sistema termodinâmico... [e] identifica e avalia as ineficiências de um sistema exergético” (TSATSARONIS & VALERO, 1989 apud ROSEN, 2002 p. 60).

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Rosen (2002) continua afirmando que é a exergia – ou commodities e recursos que tenham altos conteúdos exergéticos – que se deseja preservar quando se fala de conservação de energia. Exergia é o que se valora porque é ela, e não energia, que consistentemente representa o potencial para direcionar processos e dispositivos que produzem serviços ou produtos. Rosen (2002) acredita que se faz confusão quando se usa o termo conservação de energia não apenas para descrever um princípio científico básico de conservação, mas também para descrever esforços para solucionar problemas concernentes à energia. Na opinião de Rosen (2002), a conservação de exergia, em conjunto com outros adjetivos, pode efetivamente abordar problemas relacionados à energia na sociedade, tais como segurança de suprimento de recursos energéticos úteis (segurança de exergia) ou resolver deficiências de recursos energéticos úteis (crise de exergia). Segundo o autor, esta compreensão de exergia provê o novo fundamento necessário para desenvolver medidas de eficiência úteis e significantes. Rosen (2002) segue citando alguns exemplos de pesquisadores que abordaram os aspectos confusos e enganosos a que leva o termo conservação de energia, reconhecendo a necessidade de focar em exergia. Esses exemplos são citados a seguir. Keenan, Gyftopoulos & Hatsopoulos escreveram:

“energia, antes de ser consumida em qualquer processo, é sempre conservada. Quando se deve abordar oportunidades para conservação de combustíveis, torna-se necessário usar uma outra medida que não energia” (KEENAN et al.,1973 apud ROSEN, 2002).

Berg escreveu: “ Esforços nacionais para conservar recursos energéticos poderiam ser muito acentuados pela adoção de [exergia] para medir a efetividade da utilização da energia” , e “a Primeira Lei da Termodinâmica garante que a energia não pode ser criada nem destruída; desse modo dificilmente pareceria necessário ter uma política nacional endereçada a sua conservação” (BERG, 1974 apud ROSEN, 2002). Gaggioli, um proeminente termodinâmico no campo da exergia, afirmou no prefácio de seu livro: “a análise de exergia não apenas evita muitas concepções errôneas resultantes da análise energética mas também evidencia o caminho para a conservação econômica da energia” (GAGGIOLI, 1983 apud ROSEN, 2002). Rosen (2001) evidencia que os benefícios da análise exergética, especialmente quando comparados à análise energética, são freqüentemente claros e muitas vezes notáveis.

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O autor assinala que muitos pesquisadores, ao abordar a performance de sistemas energéticos, indicaram que eficiências baseadas em exergia, diferentemente das baseadas em energia, são sempre medidas da abordagem à idealidade verdadeira. O autor ressalta ainda que perdas de exergia claramente identificam as localizações, causas e fontes de desvios da idealidade em um sistema. Segundo ele, em sistemas complexos com múltiplos produtos (por ex. plantas de cogeração e trigeração) os métodos exergéticos podem auxiliar a avaliação dos valores termodinâmicos dos produtos energéticos, que possuem características radicalmente diferentes. O autor cita que mais amplamente ocorreu a evolução de métodos exergéticos capazes de otimizar avaliações econômicas (por ex. exergoeconomia, termoeconomia) e avaliações ambientais (“environomics”). Consequentemente, muitas aplicações da análise exergética visando avaliar, comparar, melhorar ou otimizar sistemas energéticos ocorreram. Rosen (2001) também evidencia alguns aspectos negativos da aplicação de métodos exergéticos, que levam à sua não utilização: complexidade e embaraço na utilização dos métodos, resultados difíceis de interpretar e entender, falta de familiaridade dos técnicos com os métodos em conseqüência de uma educação voltada para energia, crença de que há dificuldade em obter resultados tangíveis e diretos. Este autor enfatiza que os métodos exergéticos são úteis e que podem ser extremamente benéficos para a indústria e outros setores. Ainda segundo ele, as preocupações referentes à exergia são na realidade barreiras que deveriam ser vencidas para aumentar a adoção dos métodos exergéticos pela indústria. O autor acredita que o uso da exergia pode beneficiar não apenas a indústria, mas também a sociedade por meio de um ambiente mais limpo. É facilmente percebido o questionamento acerca da validade do uso do termo conservação de energia, em ambos os sentidos leigo e técnico. Vislumbra-se concomitantemente a utilização da exergia como parâmetro esclarecedor e direcionador do debate sobre a conservação e utilização de recursos energéticos, bem como sobre o endereçamento e abordagem de aspectos relacionados à energia. IV.2 Desenvolvimento sustentável e sustentabilidade : o debate e as ambigüidades A partir do posicionamento de vários autores vamos abordar de forma geral alguns dos diversos entendimentos sobre o conceito de desenvolvimento sustentável, procurando ressaltar pontos de debate. Não é nosso objetivo criticar os diversos conceitos arrolados, mas tão somente apresentá-los, de forma a ressaltar o debate existente. A seguir discutiremos sucintamente

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alguns conceitos de sustentabilidade e as ambigüidades que permeiam o debate. Dias (2006) apresenta um desenvolvimento histórico dos principais acontecimentos relacionados com o surgimento e a evolução do termo desenvolvimento sustentável. O histórico do conceito de desenvolvimento sustentável, suas origens na ecologia e seu uso dentro da economia foram também amplamente abordados por Nunes (2005) e Martins (2006). Segundo Dias (2006) “a concepção do desenvolvimento sustentável norteia o atual debate sobre a questão ambiental em qualquer setor das atividades humanas” (DIAS, 2006, p.30). Dias (2006) ressalta que o conceito normativo básico de desenvolvimento sustentável emergiu na Conferência de Estocolmo de 1972, e foi designado por Maurice Strong, Secretário Geral da Conferência, como uma “abordagem de ecodesenvolvimento” ( DIAS, 2006, p.30). O conceito de ecodesenvolvimento surge (LA ROVERE, 1992, apud LIMA, 2000) do questionamento do padrão de civilização em crise das Nações do Norte, cujas características mais fortes são o desemprego, a destruição ambiental, o desperdício de recursos, a persistência de desigualdades sociais e regionais e uma crise de valores. Este conceito procura estabelecer uma harmonia entre o homem e natureza, sendo orientado para a satisfação das necessidades materiais e imateriais de toda a população, e é baseado na busca de soluções apropriadas para cada contexto histórico, cultural e ecológico a partir de decisões autônomas da população (LIMA, 2000). Ainda segundo Lima (2000), introduz-se, pela primeira vez, a preocupação com a sustentabilidade do processo de desenvolvimento. As cinco dimensões de sustentabilidade do ecodesenvolvimento citadas são: social, econômica, ecológica, espacial e cultural (SACHS, 1993 apud LIMA, 2000). Lima (2000) e Muylaert (2000) avaliam o conteúdo de cada uma dessas dimensões de sustentabilidade do ecodesenvolvimento. Segundo Martinez Alier (1998), a expressão “Sustainable Development” foi introduzida com grande êxito na política internacional pela IUCN (“International Union for the Conservation of Nature” – União Internacional para a Conservação da Natureza), e em seguida pela Comissão Brundtland, das Nações Unidas. Segundo Sheng (1996), a IUCN e o WWF – World Wildlife Fund (Fundo Mundial para a Natureza) conceituam desenvolvimento sustentável como: “Melhoria da qualidade da vida humana dentro da capacidade de suporte dos ecossistemas de apoio” (SHENG, 1996 apud LIMA, 2000).

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Segundo Martinez Alier (1998), no idioma castelhano resulta evidente, pelo parentesco das palavras “sostenible” e “sustentable”, que o conceito de “Desenvolvimento Sustentável” remete ao conceito de “Capacidade de Sustentação”, próprio da ciência ecológica. Segundo nota do tradutor deste autor, Armando de Melo Lisboa, o trocadilho entre sustentado e sustentável é comum na língua castelhana ao se fazer referência ao Desenvolvimento Sustentável, porém, é pouco comum em português. Já, segundo outra nota do tradutor, na língua portuguesa ocorre o mesmo endereçamento ao conceito de “Capacidade de Sustentação” quando se fala de “Desenvolvimento Sustentável”. De outra forma, no inglês, Sustainable Development não está à primeira vista tão diretamente relacionado com Carryng Capacity (capacidade de sustento) (MARTINEZ ALIER, 1998). Martinez Alier (1998) frisa que tanto a IUCN quanto a Comissão Brundtland queriam combinar conscientemente as duas idéias: desenvolvimento econômico e capacidade de sustento e cita Jeffrey McNeely, da IUCN:

“A conservação da natureza talvez seja uma pré-condição do crescimento econômico, já que o consumo futuro depende em grande medida do estoque de capital natural. A conservação é, sem nenhuma dúvida, uma pré-condição do Desenvolvimento Sustentável, unindo o conceito ecológico de capacidade de sustento (carryng capacity), com os conceitos econômicos de crescimento e desenvolvimento.” (JEFFREY McNEELY, IUCN,1988 apud MARTINEZ ALIER, 1998).

Martinez Alier (1998) ressalta que McNeely (1988 apud MARTINEZ ALIER, 1998) identifica crescimento econômico com desenvolvimento econômico, e que o relatório Brundtland também não os diferencia. Portanto, continua o autor, a definição implícita de desenvolvimento sustentável, segundo seus inventores, é “crescimento ou desenvolvimento econômico que seja compatível com a capacidade de sustento”. Em conseqüência, Martinez Alier (1998) frisa a necessidade de discutir a aplicação, ou inaplicabilidade, da noção ecológica de “capacidade de sustento” de um território às economias humanas. A “capacidade de sustento” de um território concreto significa o máximo de população de uma espécie dada que pode ser mantido indefinidamente, sem que se produza uma degradação na base de recursos que possa significar uma redução da população no futuro (KIRSCHNER et al., 1985 apud MARTINEZ ALIER, 1998). Ainda segundo Martinez Alier (1998) a utilização de “capacidade de sustento” para estudar a relação entre a demografia e os recursos na espécie humana é rechaçada pela economia, já que a desigualdade da riqueza e dos rendimentos na espécie humana é mais pronunciada, em termos de consumo, que em outras espécies, e porque a espécie humana com freqüência melhora suas técnicas de produção.

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Neste trabalho, não será aprofundado o conceito de capacidade de sustento. O tema será discutido com base nos conceitos correntes de desenvolvimento sustentável e sustentabilidade como se apresentam nos discursos dos autores abordados. Em decorrência da Conferência de Estocolmo de 1972, foi criado o PNUMA (Programa das Nações Unidas para o Meio ambiente), o Programa Observação da Terra (Earthwatch) que monitora as diversas formas de poluição, e a CMMAD – Comissão Mundial para o Meio Ambiente e Desenvolvimento, composta por 21 países membros da ONU e presidida pela senhora Gro Harlem Brundtland (HERCULANO, 2006). De 1983 a 1987 a CMMAD pesquisou a situação de degradação ambiental e econômica do planeta. Em 1987, essa Comissão produziu seu relatório, que ficou conhecido como Relatório Brundtland ou “Nosso Futuro Comum” (HERCULANO, 2006). O Relatório Brundtland, publicado em 1987, introduziu dois novos conceitos: o de “desenvolvimento sustentável” e o de “uma nova ordem econômica internacional” (HERCULANO, 2006). O conceito de desenvolvimento sustentável oficializado pelo Relatório Brundtland foi:

“O desenvolvimento sustentável é aquele que atende às necessidades do presente sem comprometer a possibilidade de as gerações futuras atenderem a suas próprias necessidades” (CMMAD, 1988 apud LIMA, 2000).

Em conseqüência do relatório, desde 1987, “ o diapasão para a harmonização dos esforços globais em busca da boa sociedade foi dado pelo novo mote “desenvolvimento sustentável”” (HERCULANO, 2006, p. 379). Segundo Herculano (2006):

“a sociedade generosa, boa de se viver, será aquela na qual houver justiça social (eqüidade de direitos no acesso às riquezas coletivas criadas) somada à liberdade democrática e à sustentabilidade, isto é, ao respeito à natureza e preservação de seus recursos.”(HERCULANO, 2006, p.373).

Conforme Barbieri (2007) o novo conceito de desenvolvimento denominado desenvolvimento sustentável surge da vinculação entre desenvolvimento e meio ambiente. Com o termo “desenvolvimento sustentável” a ONU buscava conciliar a manutenção das políticas de crescimento econômico com a preservação ambiental, chamando a atenção para a necessidade de preservar a natureza para as gerações futuras (HERCULANO, 2006).

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De acordo com o Relatório Brundtland (CMMD, 1991 apud BARBIERI, 2007) os principais objetivos de políticas ambientais e desenvolvimentistas derivados desse conceito de desenvolvimento são os seguintes:

(a) retomar o crescimento como condição necessária para erradicar a pobreza;

(b) mudar a qualidade do crescimento para torná-lo mais justo, eqüitativo e menos intensivo em matérias-primas e energia;

(c) atender às necessidades humanas essenciais de emprego, alimentação, energia, água e saneamento;

(d) manter um nível populacional sustentável; (e) conservar e melhorar a base de recursos; (f) reorientar a tecnologia e administrar os riscos; e (g) incluir o meio ambiente e a economia no processo decisório.

Ressalta Herculano (2006):

“Nos termos do Relatório Brundtland, a sustentabilidade se acopla a um novo padrão de crescimento econômico que deve ser garantido. Nesse sentido, “o desenvolvimento sustentável” seria “uma correção, uma retomada do crescimento alterando a qualidade do desenvolvimento, a fim de torná-lo menos intensivo de matérias-primas e mais eqüitativo para todos”. A preocupação básica é que o crescimento econômico para todos não fira os direitos das gerações futuras a terem acesso a recursos naturais para a sua sobrevivência. A preocupação é alterar as formas de exploração da natureza, de maneira a legar recursos para os que virão. Nestes termos, “desenvolvimento sustentável” é conceituado no Relatório Brundtland como “um processo de mudança no qual a exploração dos recursos, a orientação dos investimentos, os rumos do desenvolvimento tecnológico e a mudança institucional estão de acordo com as necessidades atuais e futuras” “(HERCULANO, 2006, p.380).

O Relatório Brundtland evidenciou um caráter conciliatório, frisando a garantia da manutenção do crescimento para todos, frente as teses de crescimento zero e as do desenvolvimento a qualquer preço, debatidas no contexto da Conferência Internacional de Meio Ambiente Humano em Estocolmo, em 1972. O crescimento para todos será obtido por meio de: a) reorientação tecnológica; b) políticas de ajustes e de ajuda financeira dos países ricos aos países pobres e c) controle demográfico. A principal causa da deterioração ambiental, segundo o Relatório Brundtland, é a pobreza. Assim, “desenvolvimento sustentável” envolveria políticas para “aliviá-la”, “reduzí-la”, “mitigá-la” (HERCULANO, 2006). No Relatório Brundtland pobreza e deterioração ambiental são vistos como causa e efeito um do outro. O Relatório Brundtland destacou como causas da degradação ambiental: a) o emprego de tecnologias poluentes, b) o crescimento demográfico, c) o aumento da miséria. As soluções seriam: o emprego de novas tecnologias e a criação de formas de controle

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internacionais; o controle populacional do Terceiro Mundo e a implantação de políticas de ajuda e de apoio ao Terceiro mundo (HERCULANO, 2006). Nestas bases, o Relatório Brundtland sugeria um sistema de políticas de ajustes e de correções, em um regime de cooperação mundial integrada no qual “as empresas multinacionais tem um importante papel a desempenhar”. Segundo o Relatório, seria ilusão que os países em desenvolvimento pudessem viver por seus próprios meios (HERCULANO, 2006). Herculano (2006) cita ainda a conceituação de David Brooks:

“desenvolvimento sustentável pode ter dois sentidos – um radical e um conservador. No sentido radical, significaria igualdade, justiça social preservação da diversidade cultural, da autodeterminação e da integridade ecológica, de forma integrada. No sentido conservador, dentro de marco tradicional da teoria econômica, a expressão seria sinônimo de crescimento sustentável” (HERCULANO, 2006, p. 388).

A autora cita também o conceito dado por W. Reilly, Presidente da Environmental Protection Agency – EPA – dos Estados Unidos:

“desenvolvimento sustentável seria a harmonização da expansão econômica e da proteção ambiental, um crescimento estável de um capitalismo verde”, (HERCULANO, 2006, p. 388),

o que a autora interpreta como significando a incorporação do ambiente aos insumos econômicos, reconhecendo-o como forma de capital. Cunha (2007) ressalta que “o discurso dominante procura ainda consolidar um consenso em torno da sua noção de sustentabilidade como forma de preservação da ordem estabelecida” (CUNHA, 2007, p. 91), e cita Lima (1999):

“No tocante ao conceito de desenvolvimento sustentável veiculado pelo Relatório Bruntland, Carvalho (1991), embora reconheça sua maior elaboração, observa seus limites dentro de uma concepção liberal, que evita os conflitos e que, em última instância, busca garantir a manutenção da ordem estabelecida, ou seja, embora apresente um novo conceito de desenvolvimento construído a partir da crítica do modelo em esgotamento, não altera, fundamentalmente o sentido da dominação na ordem internacional. Esse mesmo conceito de desenvolvimento sustentável tem sido alvo de críticas diversas, devido às suas ambigüidades, indefinições e contradições, à ênfase economicista e desenvolvimentista, à ausência de uma perspectiva espacial e de classes sociais em seu interior, à não-explicitação de como conciliar preservação e crescimento no contexto do capitalismo e à possibilidade de ser apenas uma nova cara para uma fórmula velha e já esgotada” (LIMA, 1999 apud CUNHA, 2007, p. 91).

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O Dicionário Brasileiro de Ciências Ambientais define desenvolvimento sustentável como:

“Econ. Forma de desenvolvimento econômico que não tem como paradigma o crescimento, mas a melhoria da qualidade de vida; que não caminha em direção ao esgotamento dos recursos naturais, nem gera substâncias tóxicas no ambiente em quantidades acima da CAPACIDADE ASSIMILATIVA do sistema natural; que reconhece o direito de existência das outras espécies; que reconhece o direito das gerações futuras em usufruir do planeta tal qual o conhecemos; que busca fazer as atividades humanas funcionarem em harmonia com o sistema natural, de forma que este tenha preservadas suas funções de manutenção da vida por um tempo indeterminado” (LIMA-e-SILVA, 1999, p. 76).

Outras possibilidades de interpretação existem. Segundo Herculano, (2006) todas levam a concluir que o conceito de desenvolvimento sustentável está preso às esferas do econômico. Barbieri (2007) afirma que o desenvolvimento sustentável resultaria de um pacto duplo: um pacto intergeracional, que se traduz na preocupação constante com o gerenciamento e a preservação dos recursos para as gerações futuras, e um pacto intrageracional, que se expressa nas preocupações de atendimento às necessidades básicas de todos os humanos. Uma definição ampliada de desenvolvimento sustentável global é apresentada pela Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS):

“ the wise use of resources through critical attention to policy, social, economic, technological, and ecological management of natural and human engineered capital so as to promote innovations that assure a higher degree of human needs fulfillment, or life support, across all regions of the world, while at the same time ensuring intergenerational equity” (EOLSS, 1998 apud DINCER & ROSEN, 2007).

ou seja,

“o uso inteligente dos recursos através de atenção crítica às políticas, gestão social, econômica, tecnológica e ecológica de capital natural e de capital engenheirado pelo homem de modo a promover inovações que assegurem atingir um mais alto grau de necessidades humanas, ou suporte à vida, através de todas as regiões do mundo, enquanto assegura ao mesmo tempo eqüidade intergeracional” (EOLSS, 1998 apud DINCER & ROSEN, 2007, tradução desta autora ).

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Esse conceito evoca também a garantia de atendimento das necessidades humanas atuais, além da eqüidade intergeracional. Segundo Sachs (1993 apud LIMA, 2000) o desenvolvimento sustentável proposto pela Comissão Brundtland retoma as questões levantadas pelo ecodesenvolvimento, destacando um dever de solidariedade para com as gerações futuras. Trata-se, em síntese, do desenvolvimento que alia eficiência econômica, eqüidade social e prudência ecológica. De outra forma, de acordo com Floriano (2007), o primeiro conceito de sustentabilidade conhecido e documentado foi emitido por Carlowitz em seu livro “Sylvicultura Oeconomica”, em 1713, tendo dito:

“A natureza deve ser obrigatoriamente utilizada com base nas suas características naturais para o bem estar da população, manejada e conservada com cuidado e com a responsabilidade de deixar um bom legado para as futuras gerações.” (CARLOWITZ, 1713, apud GROEBER, 2002, apud FLORIANO, 2007)

Quanto ao conceito de sustentabilidade, Martins (2006) sugere que ainda não há uma definição mais estreita do que venha a ser sustentabilidade, e cita Robert Solow que avalia que o conceito é vago demais. Ainda Martins (2006) ressalta que sustentabilidade ambiental se refere à manutenção a longo prazo dos recursos naturais envolvendo nesse contexto o bem estar do ser humano. O Dicionário Brasileiro de Ciências Ambientais define sustentabilidade como:

“qualidade de um sistema que é sustentável; que tem a capacidade de se manter em seu estado atual durante um tempo indefinido, principalmente devido à baixa variação em seus níveis de matéria e energia, desta forma não esgotando os recursos de que necessita” (LIMA-e-SILVA, et al., 1999, p. 219).

Segundo Herculano (2006) “sustentabilidade” é um termo do vocabulário ecológico e diz respeito à tendência dos ecosistemas à estabilidade, ao equilíbrio dinâmico, a funcionarem na base da interdependência e da complementaridade, reciclando matérias e energias; os dejetos de uma forma viva sendo o alimento de outra. A autora refere-se à estabilidade dos ecossistemas como sendo conseqüência da sua complexidade e diversidade, sendo sua permanência função deste equilíbrio dinâmico. Para a autora, “sustentabilidade” remete a noções de estabilidade e ciclos. Dias (2006) ressalta que a definição de sustentabilidade foi veiculada em 1980 no documento “Estratégia Mundial para a Conservação da Natureza” elaborado pela IUCN, pelo PNUMA (Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente)

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e pelo WWF (World Wildlife Fund) como “uma característica de um processo ou estado que pode manter-se indefinidamente” (DIAS, 2006, p. 31). Já na conceituação de Stead & Stead (2000 apud DELGADO, 2007) nota-se a clara confusão entre o emprego do termo sustentabilidade e a noção de desenvolvimento sustentável: sustentabilidade é a busca de elevada qualidade de vida para as atuais e futuras gerações de seres humanos ou não humanos através da criação de um balanço sinérgico entre a prosperidade econômica, a viabilidade dos ecossistemas e a justiça social. Barbieri (2007) frisa que o uso indiscriminado e pouco criterioso da expressão desenvolvimento sustentável tem contribuído para dificultar seu entendimento. Da discussão apresentada observam-se duas questões: (1) o debate em torno da essência do conceito de desenvolvimento sustentável, e (2) as ambigüidades decorrentes da utilização do termo sustentabilidade em lugar de desenvolvimento sustentável. Na literatura consultada é comum um termo se equivaler ao outro ou ambos se misturarem nas diversas citações e posições dos autores. Porém, é claro que os termos desenvolvimento sustentável e sustentabilidade não são sinônimos. Para Baroni (1992) muitas vezes sustentabilidade ecológica, desenvolvimento sustentável e sustentabilidade são usados com os mesmos sentidos, embora tenham significados distintos. Baroni (1992) realizou estudo em que buscou entender a definição de desenvolvimento sustentável, identificando dois grupos de informação e análise a respeito dos conceitos e objetivos que dão atualmente conteúdo ao termo desenvolvimento sustentável: (a) os discursos dos organismos e entidades internacionais de fomento na área de meio ambiente (IUCN, PNUMA, etc.) que orientam os diagnósticos, análises e propostas dessas instituições e que estão publicadas em suas bibliografias oficiais, e (b) as conceituações feitas por cientistas de várias áreas, técnicos de governo e políticos. O primeiro grupo, segundo Baroni (1992), exerce posição dominante no debate sobre desenvolvimento sustentável e tem capacidade de influenciar políticas e ações de âmbito global e local, tornando-se marco referencial para outras entidades e órgãos. O segundo grupo apresenta ampla diversidade de opiniões e diagnósticos sobre o binômio desenvolvimento/meio ambiente. Baroni (1992) selecionou e analisou onze (11) definições dadas ao termo desenvolvimento sustentável, que, segundo ela, exemplificam a diversidade de idéias e refletem a falta de precisão na conceituação corrente do termo. Diversos problemas foram detectados por Baroni (1992) nestas conceituações, entre os quais:

• o autor dizer o que desenvolvimento sustentável deveria ser ou o que gostaria que ele fosse;

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• o autor confundir desenvolvimento sustentável com sustentabilidade ecológica, que tem a ver somente com a capacidade dos recursos se reproduzirem ou não se esgotarem;

• o autor substituir a idéia tradicional de desenvolvimento pela de desenvolvimento sustentável, conduzindo a conclusões errôneas.

Baroni (1992) cita a análise de Lélé (1991 apud BARONI, 1992) a respeito do termo desenvolvimento sustentável e suas ambigüidades como a mais consistente das discussões sobre a questão. Sobre desenvolvimento sustentável Lélé diz que : “literalmente, desenvolvimento sustentável quer simplesmente dizer ‘desenvolvimento que pode ser continuado’” (LÉLÉ, 1991 apud BARONI, 1992, p. 19). Sobre sustentabilidade Lélé diz : “o termo sustentabilidade surgiu a respeito dos recursos renováveis e foi adotado pelo movimento ecológico” (LÉLÉ, 1991 apud BARONI, 1992, p. 19). Sobre as ambigüidades de entendimento Lélé diz que :

“muitos usam o conceito como a existência de condições ecológicas necessárias para dar suporte à vida humana num nível específico de bem-estar através de futuras gerações, e isto é sustentabilidade ecológica e não desenvolvimento sustentável” (LÉLÉ, 1991 apud BARONI, 1992, p. 19).

Para Lélé (1991 apud BARONI, 1992) , a principal contribuição para o debate desenvolvimento/meio ambiente é a consciência de que, em conjunção com condições ecológicas, existem condições sociais que influenciam a sustentabilidade ecológica ou a insustentabilidade da interação homem-natureza. Assim, Lélé coloca a questão da sustentabilidade de uma perspectiva que aponta para a necessidade de consenso social para sua definição. Segundo Lélé (1991 apud BARONI, 1992), desenvolvimento sustentável é entendido como uma forma de mudança social que, em adição aos objetivos do desenvolvimento tradicionais, tem o objetivo ou a restrição de sustentabilidade ecológica. Obviamente, a sustentabilidade ecológica não é independente de objetivos tradicionais de desenvolvimento. Existem “trade offs” que têm que ser feitos entre a extensão e a taxa na qual a sustentabilidade ecológica é alcançada vis-à-vis outros objetivos. Existem outros casos, porém, em que sustentabilidade ecológica e objetivos tradicionais de desenvolvimento podem se reforçar mutuamente. Baroni (1992) conclui que muitas vezes sustentabilidade ecológica, desenvolvimento sustentável e sustentabilidade são usados com os mesmos sentidos, embora tenham significados distintos. Baroni (1992) conclui também que muitos autores se propõem definir desenvolvimento sustentável, mas só conseguem apresentar propostas genéricas e setoriais.

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Para Baroni (1992), o termo desenvolvimento sustentável é ambíguo, correndo o risco de se tornar um chavão que todos usam e que não tem definição precisa. E cita o relatório Caring for the Earth – a Stategy for Sustainable Living:

“a confusão do termo surgiu porque desenvolvimento sustentável, crescimento sustentável, uso sustentável têm sido usados como termos intercambiáveis, como se tivessem o mesmo significado, mas não têm. Crescimento sustentável é uma contradição em si mesmo: nada do que é físico pode crescer indefinidamente. Uso sustentável aplica-se somente a recursos renováveis: significa o uso desses recursos em quantidades compatíveis com sua capacidade de renovação. Desenvolvimento sustentável é empregado nessa estratégia com o significado de melhorar a qualidade de vida humana dentro dos limites da capacidade de suporte dos ecosistemas” (UICN-PNUMA-WWF, 1991 apud BARONI, 1992, p. 22-23).

Assim, Baroni (1992) reconhece que o conceito de desenvolvimento sustentável necessita de cuidado na sua utilização, e considera que:

“O debate sobre sustentabilidade, que se iniciou na ecologia (ou nas ciências biológicas) e vem extravasando para a economia, é bastante produtivo, pois coloca a nu a necessidade imperiosa de um novo paradigma social econômico ou novo estilo de desenvolvimento, pois que o atual mostrou-se insustentável, de diversas perspectivas, sendo uma delas a da conscientização da finitude dos recursos, mas o debate ainda não caminhou o suficiente para criar um consenso amplamente entendido e aceito” (BARONI, 1992, p.24).

Baroni (1992) considera ainda que é preciso cautela do ponto de vista estritamente técnico, ou seja, quando se discute sustentabilidade, isto é, quando se trata da manutenção da produtividade dos recursos naturais é pressuposto um conhecimento científico capaz de informar com segurança sobre as relações entre o ambiente e a qualidade de vida do homem. Esse conhecimento científico, segundo Baroni (1992) ainda inexiste hoje. A capacidade e a velocidade da sociedade industrial contemporânea na criação de novos produtos e situações de risco são maiores do que a capacidade da ciência de verificação de suas conseqüências (BARONI, 1992). Daí, para Baroni (1992) a busca de soluções técnicas para os problemas deve estar confrontada com a necessidade de consenso social para definir a sustentabilidade, buscando respostas para as perguntas: O que deve ser sustentável? Por que? Para quem? Desta discussão torna-se claro que os termos desenvolvimento sustentável e sustentabilidade não têm o mesmo significado, sendo, apesar disto, muitas vezes utilizados como se fossem sinônimos. Faz-se mister, portanto, reconhecer o contexto de utilização do termo e identificar o significado dado a

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ele, buscando a lógica de tal utilização conforme os argumentos apresentados pelos autores. IV.3 Exergia, meio ambiente e desenvolvimento suste ntável No survey realizado, cinco (05) artigos (Wall & Gong (2001); Rosen & Dincer (2001); Gong e Wall (2001); Wall (2002); Rosen et al (2008)) e um (01) capítulo de um livro (Dincer & Rosen (2007, Cap. 3)) tratando diretamente deste tema foram identificados. Os objetivos apresentados pelos autores para a discussão deste tema são:

• Oferecer condições fundamentais, conceitos e métodos para serem melhor elaborados e desenvolvidos a fim de suportar esforços comuns para ganhar entendimento adicional nestes tópicos e atingir o desenvolvimento sustentável;

• Apresentar as ligações entre exergia e energia, desenvolvimento sustentável e impacto ambiental;

• Descrever exergia e ilustrar seu uso como um instrumento para melhorar eficiência;

• Discutir as implicações ambientais da exergia, com respeito a impactos ambientais e desenvolvimento sustentável;

• Descrever os elos entre exergia e economia, visando estabelecer as relações entre aspectos técnicos, ambientais e econômicos.

Vamos evidenciar neste item as principais idéias que permeiam o debate. O negrito, sempre que aparece, é desta autora. Wall & Gong (2001) usam como base dois conceitos de sustentabilidade: o conceito clássico, conforme a Agenda 21 e o conceito difundido pela EOLSS – Encyclopedia of Life Support Systems. Neste trabalho, os autores tratam o uso de energia e recursos materiais na sociedade humana em termos de exergia. A análise exergética foi proposta como um método para calcular o uso total de exergia de um produto ou serviço. A necessidade de distinguir entre recursos originários de depósitos, reservas e fluxos naturais foi indicada, bem como a necessidade por uma preocupação crescente com o meio ambiente. A tese que motiva o trabalho é que a engenharia, bem como a economia, deveriam ser re-orientadas para melhor respeitar a capacidade de suporte da Terra e para guiar as ações humanas de modo a não violar as condições de sustentabilidade da vida neste planeta. Os autores aplicam o conceito de exergia ao meio ambiente físico e humano na Terra. O meio ambiente é descrito como sendo composto de processos ocorrendo entre esferas físicas (biosfera, litosfera, atmosfera e hidrosfera) e a

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sociosfera. O homem moderno e todos os sistemas construídos por ele pertencem à sociosfera. A exergia, que se origina do contraste entre o sol e o espaço, é apresentada como força motriz de fluxos de energia e matéria na superfície da Terra. O fluxo de exergia do sol e os estoques de exergia na Terra criam a base de recursos para as sociedades humanas na Terra. Os diversos recursos são dotados de exergia. A sociedade industrial atual é construída sob o uso não sustentável de recursos. Substâncias, tais como combustíveis fósseis e metais que se originam de depósitos de fósseis e minerais na litosfera, são disseminadas para o ambiente, o que é o oposto do que é feito pela natureza, que trabalha acumulando. A exergia flui na Terra em ciclos ocorrendo nas várias esferas e compostos de processos decorrentes do influxo de energia solar e da desmobilização de depósitos e reservas. A exergia é consumida nos constantes fluxos de energia, matéria e informação que ocorrem nas esferas e entre elas. São considerados recursos os fluxos naturais (luz do sol, ventos, correntes oceânicas, água fresca) e os estoques, que podem ser vivos (ou capital : florestas, campos) e mortos (ou depósitos: óleos, minerais, metais). Os fluxos naturais e os estoques vivos são recursos renováveis e os depósitos são recursos não-renováveis. Partes ecologicamente aceitáveis de fluxos naturais e de estoques vivos podem ser consideradas como reservas sustentáveis. Entretanto, depósitos não podem ser considerados reservas sustentáveis. O fluxo de exergia através da sociedade humana pode ser descrito de acordo com essa classificação. A poluição ambiental é a conseqüência inevitável do uso de recursos depositados. A depleção de recursos e a destruição ambiental são dois lados do mesmo problema, isto é, o uso de depósitos. A depleção dos recursos pode não ser o problema mais sério, mas sim a emissão de substâncias tóxicas que terminarão no meio ambiente, o que pode determinar novas rotas de evolução, principalmente de novos microorganismos aptos a transformarem os resíduos tóxicos. Esta é uma conseqüência provável da poluição ambiental. Assim, a sociedade industrial pode fomentar sua própria extinção pela ruína das fundações ecológicas da existência humana. Concluem que sistemas naturais ou artificiais necessitam de exergia, isto é, potencial para trabalho, para funcionar. Sociedades e ecossistemas precisam manter os potenciais das fontes que eles usam para realizar trabalho. Se uma sociedade consome os recursos de exergia numa velocidade maior do que são criados, ela não será sustentável. A sociedade atual obviamente não é sustentável e está beirando um colapso. Uma cultura baseada na depleção de recursos está condenada. Provavelmente, a humanidade não irá perecer diretamente como causa da poluição, mas devido a novas doenças relacionadas a novos microorganismos melhor adaptados ao ambiente crescentemente poluído.

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O conceito de exergia e a contabilização da exergia global de recursos naturais oferece um melhor entendimento da natureza bem como dos problemas inerentes à atual crise ecológica. Exergia é um conceito bem definido que oferece a oportunidade única de melhorar o uso de recursos para reduzir a destruição ambiental. Recomendam adotar e aplicar exergia em todas as disciplinas que lidam com esses tópicos, isto é, engenharia, ciências ambientais e economia do meio ambiente. Sugerem que a quantidade de exergia armazenada na Terra como depósitos de exergia seria provavelmente um indicador ecológico perfeito de desenvolvimento sustentável, já que o processo vivo natural atuando na Terra está constantemente acumulando exergia em depósitos. Gong & Wall (2001), na segunda parte do artigo iniciado por Wall & Gong (2001), defendem que a maioria das atividades atuais em sociedades modernas industrializadas ou os produtos no mercado não pertencem a uma sociedade ecologicamente sustentável. Consideram que a adoção de instrumentos e métodos baseados em exergia transforma a percepção do que é considerado o desenvolvimento sustentável. A exergia dá um valor físico consistente à energia e aos recursos materiais com respeito ao meio ambiente que se torna um importante suplemento aos valores monetários. A forma de taxar o meio ambiente muda pela adoção de exergia. Os autores apresentam vários métodos para a consideração da exergia e seu uso como indicador ecológico. Wall (2002) revisa os conceitos apresentados em Wall & Gong (2001) e Gong & Wall (2001) e apresenta uma visão geral dos instrumentos e métodos exergéticos aplicáveis à análise de sistemas, visando demonstrar de que modo o conceito de exergia pode contribuir para o desenvolvimento de uma engenharia energética em harmonia com a natureza. A visão dos autores foca a desmobilização de exergia do meio ambiente por uso dos recursos naturais, advogando que a desmobilização da exergia de depósitos é a base de desenvolvimento não sustentável e sugerem como indicador de desenvolvimento sustentável a quantidade de exergia na forma de depósitos. Existe, portanto, um entendimento no sentido de reduzir o consumo. Rosen & Dincer (2001) também partem do conceito clássico de sustentabilidade e do conceito ampliado apresentado pela EOLSS – Encyclopedia of Life Support Systems. De um modo geral, esses autores estabelecem nesse trabalho uma relação entre desenvolvimento sustentável e eficiência de utilização dos recursos. Dincer & Rosen (2007) revisam ampla e profundamente as relações entre exergia, meio ambiente e desenvolvimento sustentável. Revisam também

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amplamente a aplicação de exergia e métodos exergéticos à análise de processos. Rosen et al . (2008) consideram que o uso de energia como uma medida para identificar e medir os benefícios de sistemas energéticos pode ser ilusória e confusa. Assim, quando a análise energética é usada para avaliar os benefícios de tecnologias e energia verdes, confusão e imprecisões que podem obstruir sua aceitação podem resultar. Esses vários autores (Rosen & Dincer (2001); Dincer & Rosen (2007); Rosen et al. (2008)) consideram que a exergia, que pode ser usada para avaliar e melhorar sistemas energéticos, pode ajudar mais na compreensão dos benefícios da utilização de energia verde por prover informação mais útil e significativa do que a energia. Exergia claramente identifica melhorias de eficiência e redução de perdas termodinâmicas atribuíveis às tecnologias verdes. A exergia também pode identificar melhor que energia os benefícios ambientais e econômicos de tecnologias energéticas. Nestes três trabalhos, os autores discutem as relações entre exergia, meio ambiente e desenvolvimento sustentável como sendo pautadas pela relação profunda que existe entre meio ambiente e consumo energético. O impacto ambiental de emissões pode ser reduzido aumentando a eficiência de utilização de recursos; entretanto, aumentar a eficiência tem implicações na sustentabilidade já que haverá como conseqüência um aumento no uso de materiais e trabalho, além de requerer o uso de dispositivos mais complexos. Dependendo da situação e dos atores envolvidos, o custo adicional pode ser justificado pelo acréscimo de segurança associado a uma redução na dependência de recursos de energia, pelo impacto ambiental reduzido e pela paz social obtida através do aumento de produtividade. Os autores consideram exergia como a confluência entre energia, meio ambiente e desenvolvimento sustentável (Figura IV.3). Assim, exergia apresenta um caráter interdisciplinar.

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Figura IV.3 – Triangulo interdisciplinar coberto pe lo campo da análise exergética (Fonte: DINCER & ROSEN (2007, p.37)) A análise de exergia é um método que usa conjuntamente os princípios de conservação de massa e energia e a Segunda Lei da Termodinâmica para a análise, design e otimização de energia e outros sistemas. O método exergético permite determinar as localizações, tipos e reais magnitudes de resíduos e perdas. Em geral, eficiências mais significativas são avaliadas com análise de exergia do que com análise de energia, já que as eficiências exergéticas são sempre uma medida de uma abordagem ideal. Portanto, a análise de exergia pode revelar se é possível ou não, e quanto, projetar sistemas de energia mais eficientes pela redução das ineficiências em sistemas existentes. O setor de energia deve desenvolver programas em duas áreas principais: aumento da eficiência energética e adoção de sistemas energéticos ambientalmente perfeitos. São três as relações entre exergia e impacto ambiental: destruição da ordem e criação de caos, degradação de recursos, e emissões de exergia residual. Essas três condições são formas de dano ambiental. Exergia no meio ambiente na forma de recursos tem valor, enquanto exergia no meio ambiente na forma de emissões é prejudicial devido ao seu potencial de causar dano ambiental. Enquanto presente nos recursos, a exergia está na forma confinada, representando um potencial para causar uma mudança. Já na forma de emissões ao meio ambiente, a exergia não confinada representa um potencial para causar uma mudança no meio ambiente, ou dano. Partindo dos conceitos de desenvolvimento sustentável, é claro que atividades que degradam continuamente o meio ambiente não são sustentáveis ao longo do tempo, enquanto aquelas que têm impacto mínimo ou nenhum no meio ambiente são mais aptas a contribuir para o desenvolvimento sustentável.

Energia Exergia Ambiente

Desenvolvimento Sustentável

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As sociedades, para se desenvolverem sustentavelmente sob longos períodos, devem ter acesso e utilizar recursos de energia que sejam sustentáveis de um amplo ponto de vista, isto é, que sejam obteníveis de uma maneira segura e confiável, utilizáveis de maneira segura para satisfazer os serviços de energia aos quais se destinam com mínimos impactos ambiental, de saúde e sociais, e utilizáveis a custos razoáveis. Desenvolvimento sustentável requer não apenas recursos energéticos sustentáveis, mas o uso eficiente desses recursos. Idealmente, uma sociedade buscando desenvolvimento sustentável utiliza apenas recursos energéticos que não causam impacto ambiental. Tal condição pode ser atingida ou aproximada usando recursos energéticos de forma que causem mínimo ou nenhum resíduo a serem emitidos para o meio ambiente e/ou que produzam apenas emissões residuais que tenham nenhum ou mínimo impacto negativo no meio ambiente. Esta última condição é usualmente atingida quando emissões relativamente inertes que não reajam com o meio ambiente são liberadas, ou quando as emissões residuais estão em equilíbrio (térmico, mecânico, e químico), ou quase, com o ambiente, ou seja, quando as emissões de exergia residual são mínimas. Em realidade, entretanto, todo uso de recursos leva a um certo grau de impacto ambiental. Existe uma relação direta entre eficiência exergética (e algumas vezes eficiência energética) e impacto ambiental. Através do aumento de eficiência, um nível fixo de serviços pode ser satisfeito com menos recursos energéticos e, na maioria dos casos, níveis reduzidos de emissões residuais relacionadas. As limitações impostas no desenvolvimento sustentável por emissões ambientais e seus impactos negativos podem ser em parte superadas através do aumento de eficiência. Existe uma relação entre eficiência exergética, impacto ambiental e sustentabilidade que é mostrada ilustrativamente na Figura IV.4.

Figura IV.4 – Ilustração qualitativa da relação ent re impacto ambiental e sustentabilidade de um processo, e sua eficiência e xergética. (Fonte: DINCER & ROSEN (2007, p. 50), adaptado) A medida que a eficiência exergética aumenta, o impacto ambiental diminui e a sustentabilidade aumenta. Para uma situação de eficiência exergética máxima (100 %) o impacto ambiental se torna zero e a sustentabilidade tende a infinito,

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porque a exergia é apenas convertida de uma forma para outra sem perdas. A sustentabilidade tende ao infinito porque o processo se aproxima da reversibilidade. Para a situação de eficiência exergética mínima (0%) a sustentabilidade se torna nula e o impacto ambiental tende a infinito. Nesta situação recursos são usados mas nada é completado. O impacto ambiental tende ao infinito porque para prover uma quantidade fixa de serviços, uma quantidade cada vez maior de recursos tem que ser usada e uma correspondente quantidade crescente de resíduos contendo exergia é emitida. Algumas contribuições importantes para aumentar a sustentabilidade de desenvolvimento que é não sustentável são:

• Aumento da eficiência exergética ; • Redução da degradação ambiental relacionada à exergia; • Uso de recursos exergéticos sustentáveis.

IV.4 Desenvolvimento sustentável, sustentabilidade e exergia: A organização do debate entre 1995 e 2008 A recuperação bibliográfica utilizando as palavras-chave desenvolvimento sustentável, sustentabilidade e exergia identificou referências (livros, teses e artigos) no período entre 1995 e 2008. Os trabalhos pertinentes aos objetivos estabelecidos são analisados abaixo. Ano: 1995 O trabalho de Christensen (1995) é um trabalho de ecologia teórica, versando sobre a gestão de ecossistemas, especificamente sobre a necessidade de metodologias para descrever o desenvolvimento de ecossistemas, necessidade esta trazida à baila por uma demanda por modelos melhorados para gestão de sistemas ecológicos complexos. Com essa finalidade, foi desenvolvida uma nova geração de modelos de ecossistemas – modelos dinâmicos estruturais – que alteram parâmetros com o tempo, mesmo a composição de espécies. Esses modelos necessitam de uma função meta para identificar o conjunto de parâmetros que otimiza o modelo. A função meta provê uma baliza pela qual se espera que o sistema se desenvolva. O trabalho consiste em uma tentativa de ranquear quarenta e um (41) modelos em estado permanente de ecossistemas aquáticos com base em sua maturidade (atributo do ecossistema), e em outras cinco funções meta. Os modelos são descrições em estado permanente das interações tróficas nos ecossistemas aquáticos. O ranqueamento dos quarenta e um (41) ecossistemas feito com base na maturidade foi comparado a ranqueamentos feitos com várias funções meta para o modelo de simulação utilizado, entre as quais a exergia e a exergia

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estrutural. A exergia foi utilizada, bem como as demais funções meta, como indicador ecológico para a comparação de ecossistemas. Foi assumido que os ecossistemas tendem a se desenvolver de modo a otimizar a exergia, e que tanto a exergia total como seu termo estrutural podem ser usadas para descrições do desenvolvimento de ecossistemas. Ambas foram utilizadas como função meta na análise feita. A exergia, calculada principalmente como uma função da biomassa do sistema, foi considerada apropriada como função meta. A análise aponta a possibilidade de usar as comparações de modelos de ecossistemas como uma ferramenta para aumentar o entendimento das características dos ecossistemas, notadamente sustentabilidade. O conceito de sustentabilidade evocado por Christensen (1995) aparentemente é o de sustentabilidade ecológica; não é, porém, explorado qualitativa ou quantitativamente, nem sua relação com exergia, como utilizada. Por gestão, Christensen (1995) entende a gestão de ecossistemas. De fato, o estudo revelou-se não conclusivo, caracterizando-se apenas como um ranqueamento levado a termo. Os autores clamam por uma validação da metodologia, mas ainda não dos resultados. Ano: 1997 Ossebaard et al. (1997) apresentam uma análise de vários sistemas energéticos. O trabalho consiste na comparação da performance de sistemas de fornecimento de calor a uma dada área residencial fictícia. Com base em um conceito de sustentabilidade energética formulado pela ONU: “um sistema sustentável de fornecimento de energia deve ser limpo, seguro, confiável, acessível e deve usar tão poucos recursos quanto possível” (UN, 1994 apud OSSEBAARD et al., 1997), Ossebaard et al . (1997) formulam um conceito próprio de sustentabilidade focado em critérios de eficiência (energia), acessibilidade (custos) e níveis de emissões de CO2 e NOx reduzidos (aspectos ambientais), visando garantir um meio ambiente saudável no presente e no futuro. Daí, a sustentabilidade de um sistema de fornecimento de energia é função dos custos, eficiência e impactos ambientais. Foi feita uma análise comparativa de seis (6) cadeias de fornecimento de energia com base na sua eficiência exergética, nas emissões de CO2 e NOx e nos custos totais dos vários sistemas de fornecimento de calor, avaliando sua performance econômica, energética e ambiental em três anos marco básicos: 1993, 2010 e 2030. A componente de sustentabilidade ambiental é analisada com base nas emissões de CO2 e NOx de cada sistema. A eficiência exergética do sistema permite a comparação dos sistemas com base em perdas de exergia durante a produção e distribuição de calor. O

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conceito de exergia dá uma visão clara da qualidade dos transportadores de energia, isto é, quanto trabalho pode ser produzido dada uma certa quantidade e forma de energia. O trabalho evoca um conceito particular de sustentabilidade, porém não discute implicações diretas da eficiência exergética na sustentabilidade, que foi citada em componentes energética, econômica e ambiental. Em termos de gestão, pode se inferir que o trabalho suporta gestão energética, econômica e ambiental de sistemas de fornecimento de energia. Assim, a eficiência exergética é um elemento de gestão desses sistemas. Ano: 1998 Ayres (1998) aborda uma análise acerca da utilidade da Segunda Lei da Termodinâmica e da exergia no âmbito econômico, focando conseqüências técnicas e ambientais. O autor defende que a real significância econômica da Segunda Lei resulta de que exergia é (1) não conservada e (2) é uma medida útil e comum da qualidade de recursos, bem como da quantidade, aplicável à energia e a materiais. Daí, exergia pode ser usada para medir e comparar inputs e outputs de recursos, incluindo resíduos e perdas. Já que a exergia não é conservada ela é consumida (utilizada) em processos econômicos. Conseqüentemente, exergia passa a ser um fator de produção como trabalho e capital. Ano: 2000 Suganthi & Samuel (2000) tratam da análise exergética de sistemas energéticos renováveis e de sistemas comerciais (eletricidade, carvão e óleo) de fornecimento de energia na Índia. O objetivo do trabalho foi desenvolver um modelo energético ótimo baseado em exergia para auxiliar os elaboradores de políticas no seu planejamento para o desenvolvimento sustentável. Foi feita uma análise da gestão do fornecimento de energia com base em exergia, relacionando a redução da destruição de exergia com desenvolvimento sustentável. Foi apresentado um modelo de maneira geral mas sem aprofundamento, embora seja clamado pelos autores que o modelo dá a ótima alocação de energia renovável no setor rural da Índia. A relação entre o uso de exergia e os resultados da modelagem com como atingir o desenvolvimento sustentável ou a sustentabilidade não são aprofundados. Também não são aprofundados os conceitos de sustentabilidade e desenvolvimento sustentável. Pode-se inferir que se trate de sustentabilidade energética e gestão de sistemas renováveis de energia.

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Ano: 2001 Wall & Gong (2001) introduzem o conceito de exergia e apresentam as condições e conceitos associados com o uso de exergia como um indicador ecológico. Evocam como inspiradora do trabalho a visão de desenvolvimento sustentável baseada na Agenda 21 e no conceito apresentado pela EOLSS – Encyclopedia of Life Support Systems (http: //www.eolss.com). Segundo Wall, a EOLSS oferece uma fonte de conhecimento essencial dos sistemas de suporte à vida da Terra para que a humanidade viva e prospere em simbiose com a natureza. Na revisão bibliográfica citam vários trabalhos prévios que focaram exergia como indicador ou instrumento de avaliação ambiental:

• Wall (1977 apud WALL & GONG, 2001) delineou as idéias básicas requeridas para incorporar o conceito de exergia na contabilização de recursos naturais. O uso de energia e recursos materiais na sociedade humana foram tratados em termos de exergia e a análise exergética foi proposta como um método para calcular o uso total de exergia de um produto ou serviço.

• Szargut (1978 e 1997 apud WALL & GONG, 2001) sugeriu que o índice

de consumo acumulado (perda de exergia de depósitos de recursos) pode ser redefinido como um índice de custos ecológicos.

• Wall (1993 apud WALL & GONG, 2001) propôs o uso de exergia de

emissões como um indicador de efeitos ambientais.

• Wall (1993 apud WALL & GONG, 2001) propôs uma taxa de exergia baseada na exergia de depósitos usados e na exergia de emissões ao meio ambiente.

• Hirs (1994 apud WALL & GONG, 2001) propôs uma taxa de exergia

baseada nas perdas de exergia.

• Ayres & Martinàs (1995 apud WALL & GONG, 2001) estabeleceram que no caso de um resíduo, exergia poderia ser considerada como o potencial danoso ao ambiente por direcionar reações indesejáveis e incontroláveis com componentes do meio ambiente.

• Finnveden & Östlund (1997 apud WALL & GONG, 2001) introduziram

exergias de recursos naturais na metodologia de avaliação de ciclo de vida ambiental. Os autores propuseram o método LCEA – Life Cycle Exergy Analysis que incorpora uma distinção entre recursos renováveis e não renováveis bem como os fluxos de exergia totais de entrada e saída durante o ciclo de vida de um produto

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• Cornelissen (1997 apud WALL & GONG, 2001) propôs um método denominado ELCA – Exergetic Life Cycle Analysis, onde a destruição de exergia é usada como um critério simples para a depleção de recursos naturais. Mais tarde (CORNELISSEN & HIRS, 1999 apud WALL & GONG, 2001) foi adicionado um critério para diferenciar recursos renováveis e não-renováveis.

• Connelly (1998 apud WALL & GONG, 2001) desenvolveu trabalho

pioneiro visando introduzir exergia no campo da ecologia industrial, que se desdobrou em um projeto de pesquisa chamado “Exergia como um indicador ambiental”, realizado na Universidade da Califórnia, Berkeley.

• Jorgensen & Nielsen (1998 apud WALL & GONG, 2001) enfatizam que a

exergia pode ser usada como um indicador ecológico, já que ela expressa energia com um conteúdo internalizado de qualidade (ela mede energia que pode fazer trabalho, por exemplo, energia química na biomassa).

• Blinge (1998 apud WALL & GONG, 2001) propôs o ELM – Energy

Logistic Modeling que pode incluir a exergia das entradas e saídas, por exemplo, emissões para o ambiente.

• Gong (1999 apud WALL & GONG, 2001) investigou o uso de exergia

como um indicador ecológico.

• Rosen & Dincer (1999 apud WALL & GONG, 2001) apresentaram uma aplicação de análise exergética a emissões residuais, concluindo que exergia pode contribuir para a avaliação de problemas ambientais.

Wall & Gong (2001) concluem a partir desses trabalhos que a exergia está sendo gradualmente adotada como um instrumento útil no desenvolvimento e design de uma sociedade sustentável. Na primeira parte do trabalho foram abordados os seguintes tópicos:

• Condições e conceitos importantes para desenvolvimento sustentável; • Condições ambientais em termos de causas e efeitos de emissões; • Conceito de exergia como uma medida física de diferença ou contraste; • Diferentes formas de exergia comuns na natureza; • Emissões e poluentes são diferenças no ambiente, afetando o ambiente; • Exergia é uma medida apropriada dessas diferenças; • O conceito de sustentabilidade é examinado com relação aos fluxos de

exergia na Terra; • São avaliados o valor e as limitações da exergia como um indicador

ecológico. Na segunda parte foram abordados os seguintes tópicos:

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• Introdução de métodos baseados nos conceitos e aplicação a sistemas reais;

• Aplicação de exergia a emissões para o ambiente em estudos de caso a fim de descrever e avaliar seu valor e limitações como um indicador ecológico;

• Exergia é considerada um indicador ecológico útil pela literatura do campo.

Segundo Wall & Gong (2001) , a sociedade atual é construída sobre o uso não sustentável de recursos. Substâncias estocadas em depósitos fósseis ou minerais na litosfera são mobilizados para o meio ambiente pela ação humana, no caminho oposto ao que é feito pela natureza, onde essas substâncias são acumuladas e seladas como depósitos. Desenvolvem a tese de que a engenharia, bem como a economia e outras políticas de desenvolvimento deveriam ser reorientadas para melhor respeitar a capacidade de suporte da Terra e guiar as ações humanas de modo a não violar as condições de sustentabilidade da vida no planeta. As conclusões dos autores são:

• Se não há potencial para trabalho, isto é, se não há exergia, sistemas naturais ou artificiais não funcionam.

• Sociedades e ecossistemas sustentáveis precisam manter o potencial das fontes que eles usam para realizar trabalho.

• Se uma sociedade consome os recursos de exergia numa velocidade maior que eles são renovados, ela não será sustentável.

• A sociedade atual obviamente é não sustentável e está se confrontando com um colapso.

• Uma cultura baseada em esgotamento de recursos e destruição ambiental está condenada.

• O conceito de exergia e exergia global como usados para a contabilização de recursos naturais oferecem um melhor entendimento da natureza bem como dos problemas por trás da presente crise ecológica.

• Exergia é um conceito bem definido que oferece uma oportunidade única para melhorar o uso de recursos e para reduzir a destruição ambiental.

• Os autores recomendam fortemente que a exergia seja adotada e aplicada em todas as disciplinas lidando com esses tópicos, ou seja, engenharia, ciências ambientais e economia ambiental.

• A quantidade de exergia estocada na terra como depósitos de exergia seria provavelmente um indicador ecológico de desenvolvimento sustentável, desde que os processos de vida natural atuando na terra são uma constante acumulação de exergia em depósitos.

Rosen & Dincer (2001) apresentam um estudo das conexões entre exergia e energia, desenvolvimento sustentável e impacto ambiental a fim de prover meios para analisar e solucionar problemas ambientais de complexidade variada usando o conceito de exergia:

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• A exergia de uma forma de energia ou substância é uma medida de sua

utilidade ou qualidade ou potencial de causar mudança. • Um entendimento completo de exergia e dos entendimentos que ela

pode prover na eficiência, impacto ambiental e sustentabilidade de sistemas energéticos são requeridos pelo engenheiro ou cientista trabalhando na área de sistemas energéticos e meio ambiente.

• Adicionalmente, como as políticas de energia exercem um papel crescentemente importante em endereçar aspectos de sustentabilidade e uma ampla gama de problemas ambientais locais, regionais e globais, elaboradores de políticas também necessitam apreciar o conceito de exergia e seus vínculos com estes problemas.

• Durante a última década, a necessidade de entender as conexões entre exergia e energia, desenvolvimento sustentável e impacto ambiental se tornou crescentemente significante.

• Neste artigo, um estudo destas conexões é apresentado de modo a prover aos envolvidos em energia e estudos ambientais entendimentos úteis e direcionamento para analisar e resolver problemas ambientais de complexidade variável usando o conceito de exergia.

• Os resultados sugerem que a exergia provê a base para uma medida efetiva do potencial de uma substância ou forma de energia em impactar o meio ambiente e parece ser uma consideração crítica em alcançar o desenvolvimento sustentável.

As principais conclusões são:

• Três relações principais entre exergia e impacto ambiental são discutidas em termos de: destruição de ordem e criação de caos, degradação de recursos e emissões de energia residual.

• Os autores sentem que o potencial de utilidade da análise exergética em endereçar e solucionar problemas relativos a desenvolvimento sustentável e meio ambiente é substancial e que exergia é uma confluência de energia, meio ambiente e desenvolvimento sustentável

Dewulf et al . (2001) enfocaram a avaliação quantitativa da sustentabilidade de diferentes opções tecnológicas. Foi apresentada uma metodologia baseada em indicadores exergéticos para comparação de diferentes opções de tecnologias ambientais. As tecnologias são comparadas e ranqueadas na mesma escala de base exergética. O trabalho evoca o conceito de sustentabilidade da WCED – The World Commission on Environment and Development , que em termos de tecnologia significa que a produção deve ter impacto limitado no meio ambiente próximo e em escala global a longo prazo. A sustentabilidade de quatro (4) diferentes opções tecnológicas para o tratamento de gases residuais de uma planta de tratamento de água residual carregada com compostos orgânicos voláteis foi avaliada em termos do consumo cumulativo de exergia (CExC – Cumulative Exergy Consumption) e do consumo cumulativo de exergia para construção e abatimento (CExCA –

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Cumulative Exergy Consumption for Construction and Abatement). Adicionalmente, foi calculada a sustentabilidade S para cada rota tecnológica a partir da eficiência exergética e de um coeficiente de renovabilidade, que leva em conta a fração de renováveis nos fluxos de entrada. A sustentabilidade de cada opção tecnológica é formulada como resultado de uma análise exergética e de uma análise do ciclo de vida, levando em conta recursos e utilidades empregados em cada rota tecnológica. El-Sayed (2001) empregou a metodologia de termoeconomia para avaliar sistemas de desalinização (por destilação) de água do mar movidos a combustível fóssil. Foi estabelecido o objetivo de alcançar a maior eficiência energética ao menor custo de produto. Este objetivo evoca, segundo o autor, um dos objetivos do desenvolvimento sustentável que é alcançar a maior eficiência de combustível (energética) ao menor custo de produto para sistemas que usam ou produzem potência e calor a base de combustíveis fósseis. Porém, embora evoque o conceito de desenvolvimento sustentável, o autor não o discute. A otimização do sistema leva em conta a destruição de exergia. Infere-se que a aplicabilidade da metodologia se dê por gestão energética. Gong & Wall (2001) concluem que o conceito de sustentabilidade necessita de uma definição clara. Apresentam também definições para indicadores e indicadores ecológicos. Apresentam os métodos LCA – Life Cycle Assessment, ELCA- Exergetic Life Cycle Analysis, LCEA – Life Cycle Exergy Analysis e ELM – Energy Logistic Modeling. A exergia é considerada um valioso indicador ecológico. Apresenta um estudo de caso em que compara exergia como indicador ecológico ao eco-indicador 95 (EI95), que tem sido usado na Europa para expressar problemas ambientais em um único indicador. Recomenda ainda o uso de diagramas de fluxo de exergia como indicador ecológico. A Avaliação do Ciclo de Vida ambientalmente orientada (LCA – Life Cycle Assessment) analisa problemas ambientais associados com a produção, uso e disposição ou reciclagem de produtos ou sistemas de produtos. A metodologia ELCA (Exergetic Life Cycle Analysis) foi desenvolvida por Cornelissen (1997) e nela não é feita distinção entre recursos bióticos e abióticos. Já a metodologia LCEA (Life Cycle Exergy Analysis) (GONG & WALL, 1997) faz uma clara distinção entre recursos renováveis e não renováveis com o fim de avaliar a sustentabilidade de um processo ou atividade. Este método pode ser considerado como uma aplicação de exergia à metodologia LCA. A metodologia ELM (Energy Logistic Modeling) proposta por Blinge (1998) é basicamente uma adaptação e uma especificação do método geral LCA para o campo de sistemas de suprimento de combustível.

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Ano: 2002 Seager & Theis (2002) consideram que as hipóteses até então apresentadas (ROSEN & DINCER, (2001), WALL & GONG (2001), GONG & WALL (2001), CORNELISSEN (1997) e AYRES et al. (1998)) relacionando emissões de exergia residual com medidas quantitativas de impacto ambiental ou ecológico ou consumo de exergia, eficiência ou renovabilidade da fonte como uma medida de sustentabilidade ainda tem que ser validadas por métodos analíticos. Para os autores, essas relações sugeridas, quando rigorosamente examinadas, mostraram-se apenas aproximadas ou inconsistentes. Aproximadas porque exergia residual pode estar agregada sob várias formas diferentes. Inconsistentes porque sustentabilidade é um conceito multidimensional que não pode ser capturado numa única medida. Os autores propõem um esquema de diferenciação entre várias formas de resíduos de exergia, que sugere uma relação preditiva quantitativa entre emissões de exergia e impactos ambientais. Os autores consideram que há uma grande perda de informação devida a agregação de todas as formas de exergia residual em uma única medida de exergia residual. O principal foco do trabalho é a exergia de mistura, ou seja, a parte da exergia química que é devida unicamente aos gradientes de concentração. Segundo os autores, a noção popular de poluição química como uma impureza ambiental é melhor capturada pela parcela exergia de mistura. O approach básico é o de exergia residual utilizada em comparação quantitativa de impactos ambientais. Foi proposta uma contabilização em separado da exergia residual energética e da exergia residual material. A exergia de mistura de uma corrente residual é estendida a uma definição exergética da poluição química. Os autores definem uma medida do impacto químico ambiental chamada potencial de poluição (pollution potential). Wall (2002) discute o papel do conceito de exergia na construção de uma sociedade sustentável. A partir da definição de exergia e de eficiências exergéticas, apresenta a análise de ferramentas baseadas em exergia: análise de exergia, análise do ciclo de vida de exergia (Life Cycle Exergy Analysis – LCEA). A taxação com base em exergia é examinada para sistemas macroeconômicos. O método de termoeconomia é apresentado para sistemas microeconômicos. Não evoca o conceito de sustentabilidade mas sugere que os instrumentos discutidos aplicam-se à gestão de sistemas. Dincer (2002) trata da utilização de exergia como um instrumento eficiente para atividades de elaboração de políticas de energia e políticas ambientais, baseados no fato de que a exergia é uma medida da quantidade e qualidade das fontes de energia, enquanto a energia apenas mede quantidade.

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A utilização da exergia é discutida sob várias perspectivas: qualidade, conservação de energia, meio ambiente, economia e desenvolvimento sustentável. Sobre exergia o autor conclui que:

• O uso dos princípios de conservação da massa e da energia conjuntamente com a Segunda Lei da Termodinâmica é um método efetivo para o design e análise de sistemas de energia;

• É a melhor ferramenta primária para endereçar o impacto no meio ambiente do uso de recursos energéticos;

• É uma técnica adequada para perseguir a meta de uso mais eficiente de recursos energéticos e conseqüentemente de conservação de energia;

• É uma técnica eficiente em revelar se ou não, e de quanto, é possível projetar sistemas energéticos mais eficientes através da redução das ineficiências em sistemas existentes;

• É um componente-chave na obtenção do desenvolvimento sustentável; • É um indicador essencial para distinguir a qualidade entre recursos

energéticos; • É também um conceito benéfico em economia; • É reconhecida como uma nova medida de degradação ambiental e

conseqüentemente uma das técnicas potenciais para minimizar ou eliminar o impacto ambiental.

O autor não evoca nenhum conceito de sustentabilidade. Porém, recomenda fortemente o uso de exergia como ferramenta de gestão. Ano: 2003 Dewulf & Langenhove (2003) enfocam a avaliação da sustentabilidade de tecnologias de transporte em termos da produtividade dos recursos. É proposto um conceito que apresenta uma base para quantificação de input de material, por um lado, e serviço de transporte gerado, por outro lado. O conceito de input de material por unidade de serviço (Material Input per Unit of Service – MIPS) é quantificado em termos da Segunda Lei da termodinâmica permitindo o cálculo do input de recurso e do output de serviço em uma base exergética: input exergético de material por unidade de serviço (Exergetic Material Input per Unit of Service – EMIPS). O parâmetro EMIPS foi elaborado para tecnologias de transporte e é definido como a razão entre a exergia dos recursos e a exergia do serviço.São comparados estudos de caso. Os autores concluem que a metodologia proposta é apropriada para avaliação da produtividade de recursos: ambos, input de material e serviço, são calculados na mesma base objetiva com a mesma unidade. O conceito de exergia é apto a quantificar todo o input cumulativo de material e energia. Um modelo que permite o cálculo do serviço físico prestado por uma commodity de

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transporte foi elaborado. O input de renováveis pode ser diferenciado do input de não-renováveis, de forma similar ao que ocorre na metodologia ELCA. Federici et al . (2003) aplicaram análise exergética, conjuntamente com análise energética e emergética, a dois sistemas de transporte distritais (rodoviário e ferroviário), calculando eficiências exergéticas de primeira e segunda ordens. Os resultados sugerem que é improvável que um sistema complexo como transporte seja descrito por uma relação linear entre input de recursos e output de serviço produzido. Ano: 2004 Balocco et al . (2004) aplicaram análise exergética estendida (Extended Exergy Analysis – EEA) computando o ciclo de vida médio de uma construção para avaliar a sustentabilidade de uma área urbana. Dois índices termodinâmicos para a eficiência dos prédios foram propostos, baseados na Primeira e na Segunda Leis da termodinâmica. O índice baseado em exergia permite avaliação do impacto ambiental. A metodologia aplicada provê um critério termodinâmico único para a seleção de alternativas tecnológicas, estratégias e designs que produzem menores impactos ambientais. Seager & Theis (2004) propõem uma taxonomia para classificar os critérios quantitativos de sustentabilidade. Esta taxonomia inclui seis categorias de métricas para sustentabilidade: financeira, termodinâmica, ambiental, ecológica, sócio-política e agregada. A exergia é considerada uma métrica agregada (combina aspectos de duas ou mais métricas). O impacto ambiental exergético é calculado para diferentes espessuras de isolante em um freezer. Bargigli et al . (2004) exploram a eficiência termodinâmica e a sustentabilidade ambiental de três carreadores de energia gasosos (gás natural, gás de síntese da gaseificação do carvão e hidrogênio de reforma a vapor de gás natural e de eletrólise alcalina) por meio de quatro diferentes metodologias, entre as quais análise exergética, através da eficiência exergética. São calculadas e comparadas eficiências energéticas e exergéticas para os diversos processos produtores dos carreadores gasosos. Hammond (2004a) traça um questionamento dos métodos termodinâmicos como único método para estabelecimento de impactos ambientais e sustentabilidade. Situa os métodos termodinâmicos como um método integrante de um conjunto de métodos. Hammond (2004b) considera os métodos de análise energética e exergética como medidas apropriadas de sustentabilidade no setor energético e além dele. Entretanto, considera que é necessário aplicar os métodos de análise energética e exergética com certo cuidado quando se deseja tirar conclusões sobre o critério e caminhos para sustentabilidade.

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Hepbasli & Utlu (2004) avaliam a eficiência de utilização energética das fontes renováveis de energia da Turquia usando análise energética e exergética. Qiang et al . (2004) determinaram a eficiência térmica e exergética de um ciclo de potência movido a gás natural liquefeito. Ano: 2005 Szargut (2005) abordou o conceito de CEC – Cumulative Exergy Content, aqui traduzido como Conteúdo Cumulativo de Exergia. Este conceito, aplicado originalmente como um método industrial, especialmente à área de Termo-economia, onde é usado para calcular as externalidades ambientais negligenciadas, foi estendido neste trabalho à contabilização da depleção de recursos naturais não-renováveis, definindo o custo termo-ecológico (consumo cumulativo de recursos de exergia naturais não-renováveis) e uma nova taxa, a taxa pró-ecológica. Um dos aspectos mais importantes considerados no livro é a economia da exergia natural não-renovável. Os tópicos apresentados e discutidos no livro são:

• Cálculo da exergia química de todos os elementos químicos estáveis; • Discussão sobre as perdas de exergia natural global e antropogênica; • Orientações práticas para melhoria da imperfeição termodinâmica de

sistemas e processos térmicos; • Desenvolvimento de métodos de determinação de perdas parciais de

exergia em sistemas térmicos; • Discussão do custo termo-ecológico, um método geral para a otimização

de parâmetros operacionais e de design objetivando a minimização da depleção de recursos naturais não-renováveis;

• Índice de sustentabilidade do ambiente natural; • Avaliação do capital mineral natural da Terra; • Aplicação de exergia para a determinação de uma taxa pró-ecológica,

em substituição às taxas existentes. Dewulf & Langenhove (2005) apresentam um conjunto de 5 indicadores de sustentabilidade ambiental para a avaliação de produtos e rotas de produção integrando princípios da ecologia industrial. O artigo enfoca o componente ambiental da sustentabilidade de uma tecnologia, levando em conta o papel da ecologia industrial. Uma maior compatibilidade de uma tecnologia específica com o sistema industrial pode resultar em menor extração de recursos e reduzida emissão de resíduos, contribuindo indiretamente para uma melhor sustentabilidade ambiental. Os indicadores, com variação entre 0 e 1, levam em conta:

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• Eficiência do processo; • Re-uso de materiais; • Recuperação de materiais residuais; • Renovação dos materiais consumidos; • Toxicidade das emissões.

Esses indicadores são calculados em base exergética. A aplicabilidade do conjunto de indicadores é ilustrada para diferentes rotas de produção de produtos e eletricidade de várias fontes renováveis e não-renováveis. A métrica da sustentabilidade para a avaliação de tecnologias é abordada. Esta métrica deve idealmente cobrir os três princípios básicos da sustentabilidade: econômico, social e ambiental. No trabalho é abordado especialmente o aspecto ambiental para o desenvolvimento de tecnologia sustentável. Os autores ressaltam que este conjunto universal de indicadores de sustentabilidade ambiental para a avaliação de tecnologia pode ser usado conjuntamente com um conjunto universal de indicadores cobrindo os aspectos econômicos e sociais com o fim de avaliar quantitativamente a sustentabilidade de opções tecnológicas. Midilli et al . (2005) analisam aspectos exergéticos e de sustentabilidade do hidrogênio como tecnologia combustível. É um exemplo de análise exergética de sistemas energéticos renováveis. O artigo trata o hidrogênio como um combustível verde, discute o papel central dos sistemas e tecnologias energéticas a base de hidrogênio, e compara o hidrogênio com outras formas de energia. São consideradas as estratégias energéticas que incorporam hidrogênio e é discutida a importância da energia a base de hidrogênio no alcance de um sistema energético sustentável. A análise exergética do hidrogênio é considerada como meio para determinar o impacto de sua utilização no meio ambiente e para determinar sua eficiência de utilização. A exergia de uma forma de energia ou substância é uma medida de sua utilidade ou qualidade ou potencial para causar mudança e provê a base para uma medida efetiva do potencial de uma substância ou forma de energia em impactar o meio ambiente. Os autores evocam que a aplicação de métodos exergéticos a tecnologias e sistemas de hidrogênio pode ter numerosos e amplos benefícios. O desenvolvimento sustentável e a busca de sistemas energéticos sustentáveis são considerados como fatores de promoção da tecnologia a base de hidrogênio. Romero-Ternero et al . (2005) aplicam análise termoeconômica a um sistema de osmose reversa de água do mar movido a vento e determinam a eficiência exergética do processo.

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Os autores concluem que a análise termoeconômica executada suporta o fato de que o processo de desalinização por osmose reversa da água do mar movida a vento é uma opção realística para as Ilhas Canárias, tendo em vista os crescentes requerimentos de água e o desejável menor impacto ambiental pelo consumo de energia. Os autores ressaltam que o desenvolvimento sustentável nas Ilhas Canárias será essencialmente determinado pela inter-relação entre quatro campos: água, energia, economia e meio ambiente. Dincer & Rosen (2005) discutem a análise exergética de sistemas energéticos renováveis como instrumento para determinação do impacto ambiental e da sustentabilidade. Discutem de maneira abrangente a utilização de princípios termodinâmicos no entendimento do impacto ambiental e em aspectos da sustentabilidade. A relação entre impacto ambiental, sustentabilidade e eficiência exergética é discutida e explicada. O papel da exergia como um quantificador para fatores de processos é apresentado e discutido. Os autores demonstram os benefícios de usar os princípios da termodinâmica via exergia para avaliar sistemas e tecnologias energéticos bem como o impacto ambiental. Desse modo, defendem que princípios termodinâmicos, particularmente os conceitos envolvendo exergia, podem ter um papel significativo na avaliação de tecnologias energéticas e ambientais. Ozgener & Hepbasli (2005) discutem análise exergética de sistemas de bombas de calor geotérmicas. O objetivo central do trabalho é investigar as características de performance de uma bomba de calor geotérmica a base de energia solar. É utilizado o parâmetro potencial de melhoria exergético (improvement potential – IP) (Van GOOL, 1997 ; HAMMOND & STAPLETON, 2001 apud OZGENER & HEPBASLI, 2005), além de outros parâmetros termodinâmicos. Foram derivadas expressões para a análise energética e exergética da bomba de calor geotérmica usando equações de balanço de massa, energia e exergia. Os valores de eficiência exergética de cada componente da bomba de calor foram calculados, bem como os valores de IP foram discutidos. Ano: 2006 Apaiah et al. (2006) exploram o potencial da análise exergética para estudar e comparar o impacto ambiental de cadeias de fornecimento de alimentos. Foram analisadas as cadeias de suprimento de três produtos. O conteúdo e requerimentos exergéticos das várias correntes, produtos e processos foram calculados para as três cadeias de suprimento de produtos. O método identifica os links onde a destruição de exergia ocorre e mostra onde melhorias são possíveis para minimizar esta destruição.

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As cadeias de suprimento também foram comparadas com base em sua eficiência. O parâmetro de eficiência escolhido enfoca a conversão de energia no processo e é dado pela razão entre a exergia de saída no produto e a exergia total de entrada. Os autores clamam que o processo é mais sustentável quando ele usa seus inputs de exergia eficientemente, desde que a produção pode ser levada a efeito com um input mínimo de exergia e recursos materiais. Os autores concluem que a análise exergética é um método útil para estudar o impacto de cadeias de suprimento de produtos alimentares no meio ambiente. Concluem também que o método identifica os links onde a destruição de exergia ocorre. É, portanto, possível investigar estes links em detalhe e executar uma análise de melhorias para minimizar esta destruição. Além disso, a análise exergética é também útil para o design de cadeias de suprimento de novos produtos, podendo ser estendida para incluir custos monetários. Os autores clamam que um estudo detalhado de uma cadeia de suprimento pode levar a produtos economicamente viáveis e ambientalmente sustentáveis. Verdesca et al. (2006) evocam em um trabalho de aplicação ecológica o conceito clássico de desenvolvimento sustentável da Comissão Brundtland. Porém, enfocam principalmente os aspectos ambientais da sustentabilidade como se a sustentabilidade fosse completamente independente de condições sociais e econômicas. Seu objetivo é propor uma abordagem integrada para desenvolver uma contabilização exergoeconômica de sistemas marinhos costeiros, com o fim de avaliar sua eficiência, o que é considerado o primeiro passo para a sustentabilidade. A técnica de contabilização ambiental é utilizada com o fim de integrar valores econômicos com fatores ambientais. Em seguida, a técnica de contabilização ambiental é integrada com análise termodinâmica, usando o balanço de input-output de exergia (exergy input-output balance). A exergia agregada (embodied exergy) é introduzida para considerar elementos de qualidade do ecossistema. Um novo indicador é proposto: a razão entre a qualidade do ecossistema e o valor adicionado derivado da contabilização econômica. Este indicador é denominado valor adicionado de informação exergética (IEex – Added Value of Exergetic Information) e é uma medida da exergia produzida pelo sistema costeiro por unidade de valor adicionado. Um alto valor do indicador IEex significa uma mais alta sustentabilidade econômica do sistema. O modelo completo é aplicado a um estudo de caso. Wan-Bin et al. (2006) abordam uma aplicação de exergia na formulação de um índice de produtividade para a agricultura na escala do ecossistema. É proposto o índice conceitual APES (Agricultural Productivity on Ecosystem Scale) que é definido como o output total de um processo de produção agrícola e que significa a habilidade total do agrossistema em se manter ecologicamente saudável, considerando materiais humanos, informação

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energética , serviços, etc, e suas influências no meio ambiente, positivas ou negativas. O APES é contabilizado a partir de medidas de exergia para ecossistemas, a partir de duas componentes:

• AGO (Agroecological Gross Output) que inclui o output positivo do sistema ou a habilidade total de suporte social e serviços ecológicos;

• ED (Environmental Depletion) que contabiliza a alteração no meio ambiente.

O APES é definido como a diferença entre AGO e ED. Outros conceitos e índices relativos a um agrossistema são definidos. Os autores consideram que por configurar uma proposta inovadora, esses índices e metodologia necessitam ser melhor estudados. Jorgensen (2006) busca neste livro expressar a sustentabilidade do capital, particularmente capital natural, usando o conceito termodinâmico de eco-exergia, usado para descrever o desenvolvimento de ecossistemas, para expressar sustentabilidade e usá-la num contexto não-ecológico. Eco-exergia é aplicada para estimar a sustentabilidade ou “saúde” de um sistema, seja ele natural ou feito pelo homem. O conceito de eco-exergia é definido como a capacidade de trabalho de um ecossistema comparada com o mesmo sistema no equilíbrio termodinâmico. Este conceito foi previamente usado por Jorgensen em modelos dinâmicos estruturais, no contexto do ecossistema e como indicador ecológico. Neste livro o uso do conceito termodinâmico de eco-exergia é ampliado para a sociedade inteira, usando eco-exergia como um índice de sustentabilidade. Jorgensen (2006) parte da premissa de que se queremos tornar nossa sociedade sustentável, é necessário aprender com os ecossistemas, porque eles tem sido sustentáveis durante bilhões de anos. Se usássemos princípios ecológicos na nossa estratégia de gestão, poderíamos reduzir a perda de eco-exergia e nos aproximarmos da sociedade sustentável. O autor apresenta recomendações políticas para atingir uma sociedade sustentável, todas baseadas na aplicação de princípios ecológicos à gestão. O autor critica pesadamente o uso da análise econômica de custo-benefício para otimizar a gestão de recursos naturais. O livro apresenta um novo método científico para quantificar sustentabilidade e dessa forma controlar melhor a gestão de recursos naturais. Porém, o próprio autor reconhece que antes que o conceito de eco-exergia possa ser recomendado como um índice geral de sustentabilidade ambiental, ele deve ser testado mediante aplicação como um conceito ambiental em uma escala muito mais ampla. Haldi & Favrat (2006) enfocam a exergia como um conceito chave na metodologia para redução de consumo de energia elétrica na Suíça. Os

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autores consideram que um programa de redução de consumo de energia deve minimizar as perdas de energia (exergia) que ocorrem em todos os estágios da cadeia energética desde energia primária (energia como encontrada na natureza) até energia útil e serviços. A soma das várias perdas será igual à diferença entre a energia primária (exergia) e a energia útil (exergia) para o sistema considerado. Ano: 2007 Dincer & Rosen (2007) abordaram tecnicamente o estado da arte da aplicação de exergia e de análise exergética a dezoito (18) tópicos relevantes:

• Exergia, meio ambiente e desenvolvimento sustentável; • Aplicações de exergia na indústria; • Exergia em desenvolvimento de políticas e educação; • Análise exergética de processos psicrométricos; • Análise exergética de sistemas de bomba de calor; • Análise exergética de processos e sistemas de secagem; • Análise exergética de sistemas de estocagem de energia térmica; • Análise exergética de sistemas de energia renováveis; • Análise exergética de plantas de potência a vapor; • Análise exergética de sistemas de cogeração e de sistemas distritais de

energia; • Análise exergética de sistemas criogênicos; • Análise exergética de sistemas de destilação de petróleo; • Análise exergética de sistemas de células de combustível; • Análise exergética de sistemas de vôo de aeronaves; • Análise exergoeconômica de sistemas térmicos; • Análise exergética de países, regiões e setores econômicos; • Avaliação exergética do ciclo de vida; • Exergia e ecologia industrial.

Extensa abordagem é dada a aspectos ambientais, o impacto do uso de energia no meio ambiente e vínculos entre exergia e meio ambiente. É enfatizado o papel da exergia em alcançar o desenvolvimento sustentável. A exergia é considerada como um quantificador de sustentabilidade para fatores de processo. Ayres et al. (2007) discute o papel da energia no desenvolvimento econômico, sob o ponto de vista de duas teorias de crescimento econômico: (i) a primeira, a teoria padrão na qual o crescimento econômico não depende da oferta de energia e serviços de energia, e (ii) a segunda, uma nova teoria, quantitativa e endógena, na qual ocorre a incorporação explícita desses fatores, além do trabalho e capital. Introduz o conceito de que a exergia é a expressão técnica para energia e é, segundo essa nova teoria endógena, o terceiro fator considerado. Este terceiro fator é uma medida da produção e distribuição de

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trabalho útil aos consumidores, onde trabalho útil é o produto de inputs de exergia multiplicados pela eficiência de conversão de exergia a trabalho. Segundo o autor, esta eficiência de conversão tende a aumentar com o tempo, enquanto é também uma medida da tecnologia. O autor refere-se à sustentabilidade global de longo prazo como sendo dependente da emissão reduzida de gases estufa e discute os problemas climáticos globais como dependentes de políticas de energia, basicamente quanto a oferta e preço. Amini et al. (2007) usam a quantificação de perdas de exergia como forma de medir a eficiência do uso de recursos em processos de reciclagem. A técnica utilizada é a determinação exergética do ciclo de vida (Exergetic Life Cycle Assessment – ELCA) aplicada a um carro de passageiros padrão. ELCA usa a mesma estrutura que LCA – Life Cycle Assessment, sendo o critério diferenciador a perda de exergia durante o ciclo completo de vida do produto. A análise de exergia é usada no presente trabalho como um possível indicador para quantificar as perdas de exergia de metais na reciclagem física do carro padrão. Os resultados dos cálculos permitem acompanhar o processo de fusão das partes metálicas, pois mostram que o conteúdo de exergia química diminui durante os vários passos de reciclagem e conseqüentemente há uma perda de qualidade durante a etapa de fusão. A eficiência exergética e a taxa de input do recurso são usadas como novas medidas para quantificar a eficiência da reciclagem comparada à eficiência de reciclagem convencional baseada em massa. Os resultados permitem a gestão de recursos na construção de carros, e, portanto, este é um caminho para o aumento da sustentabilidade ambiental. Liu & Zhang (2007) propõem um novo ciclo conceitual de cogeração de potência e refrigeração a base de amônia e água. A eficiência exergética é usada como o critério de avaliação da performance do ciclo. Os autores clamam que a sustentabilidade da cogeração é grande mas não discutem essa sustentabilidade. Koroneos & Nanaki (2007) enfocam a análise de sistemas energéticos nacionais através da avaliação da sustentabilidade elétrica de países (Grécia, Romênia, Bulgária, Turquia) executada através de análise exergética. O trabalho usa a eficiência exergética como indicador da sustentabilidade energética e auxiliador da tomada de decisão. A eficência exergética é definida como a razão entre a energia elétrica gerada e o input total de exergia. Os autores evocam o conceito de desenvolvimento sustentável emanado da Comissão Bruntdland. Evocam também o conceito de sustentabilidade energética, clamando por maior participação de recursos energéticos renováveis nas matrizes energéticas dos países analisados.

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Hammond (2007) discute o uso da análise termodinâmica (energia e exergia) como medida de sustentabilidade na indústria. Utlu & Hepbasli (2007) usam análise energética e exergética para discutir a eficiência de utilização da energia no setor industrial da Turquia entre 1990 e 2003. São efetuadas análises energética e exergética para oito sub-setores da atividade industrial com o fim de estudar as variações das eficiências energética e exergética para cada sub-setor através dos anos estudados. As eficiências de aquecimento, eficiências energéticas globais e eficiências exergéticas globais são comparadas para os oito sub-setores para o ano de 2003. Estas eficiências de aquecimento, eficiências energéticas globais e eficiências exergéticas globais são comparadas para o setor industrial e para os oito sub-setores. Analisam adicionalmente o setor industrial através do potencial de melhoria exergético (IP – Improvement Potential ou Exergetic Improvement Potencial (Van GOOL, 1997)) para o período 1990-2003. É concluído que a metodologia usada no estudo é prática e útil para a análise da utilização energética e exergética setorial e sub-setorial com o fim de determinar o grau de eficiência de utilização energética e exergética no setor estudado. Sugere aplicabilidade da metodologia para sustentabilidade e políticas públicas para o planejamento energético. Conclui que esta análise proverá os investigadores com conhecimento sobre o quanto efetivo e eficiente um país é no uso de seus recursos naturais. Este conhecimento é também necessário para identificar eficiência energética e/ou oportunidades de conservação energética, bem como para estabelecer as estratégias energéticas de um país ou uma sociedade. Nielsen (2007) traça uma comparação entre sistemas naturais e sistemas industriais-sociais utilizando como base para a análise dez áreas correlatas. Uma dessas áreas é a análise termodinâmica dos sistemas. O autor visa estabelecer uma correlação entre teoria de ecossistemas e ecologia industrial. O autor conclui que é possível a interpretação termodinâmica de ambos os tipos de sistemas, embora existam algumas diferenças importantes entre eles. Exergia é citada pelo autor como a variável central de análises termodinâmicas de sistemas humanos e industriais, particularmente através da eficiência exergética de processos. O autor destaca o pronunciado desenvolvimento de técnicas termodinâmicas aplicadas a sistemas naturais frente ao relativamente pequeno desenvolvimento destas técnicas em aplicações a sistemas industriais ou sociais. O autor se refere à sustentabilidade de uma forma ampla e sugere que provavelmente só pode ser estabelecido um único critério objetivo para

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determinar a sustentabilidade em nível global e que este critério seria 0/ ≥dtdEx .

Porém, o autor ressalta que a aplicação de análises termodinâmicas em níveis industrial e social requer o esclarecimento da terminologia e das definições, uma vez que estas são aplicações muito distintas das aplicações tradicionais da termodinâmica. Castro et al. (2007) apresenta um método no qual estende a abrangência da metodologia ELCA – Exergetic Life Cycle Assessment à análise de perdas em sistemas materiais complexos graças à possibilidade de descrever as interações entre materiais. Exergia é proposta como uma medida da eficiência do uso de recursos na reciclagem. Os resultados indicaram que o conteúdo específico de exergia diminui durante os vários passos de reciclagem, e, portanto, que os materiais perdem qualidade durante os processos de fusão e diluição. Dois parâmetros são calculados. É calculada a eficiência exergética de cada processo através da razão entre as perdas totais de exergia e a exergia total adicionada ao sistema. A outra medida é a eficiência do uso de recursos nos ciclos de vida dos produtos, que é definida como a taxa de input de recurso (Resource input ratio – RI). Esta medida contabiliza a razão entre os inputs de exergia do recurso requeridos para a diluição durante a reciclagem e o input de exergia do material inicial a ser reciclado. O conceito de sustentabilidade do uso de recursos é evocado mas não explicado. Nguyen & Yamamoto (2007) propõem uma modificação do método da pegada ecológica pela incorporação de recursos não-renováveis ou abióticos como uma categoria adicional. O uso de recursos abióticos pode ser quantificado como hectare global usando abordagens termodinâmicas, com base em exergia. A pegada ecológica modificada inclui recursos bióticos e abióticos. A perda de exergia devida a utilização de recursos não-renováveis é convertida em área superficial, que está apta a absorver energia solar para compensar as perdas de exergia. O método proposto foi aplicado a sete países, incluindo o Brasil. Os resultados calculados desta pegada ecológica modificada foram comparados com os resultados para a pegada ecológica tradicional reportados em 2004. Foi concluído que os resultados usando o método modificado incluindo a utilização de commodities minerais retrata um quadro mais sério que o retratado pela pegada ecológica tradicional. Os autores clamam que o novo método proposto pode ser usado para monitorar o consumo da sociedade humana e também para comparar o consumo entre nações como um indicador para desenvolvimento sustentável.

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Hepbasli et al. (2007) revisam sistemas de bomba de calor movidas a gás (GEHP – Gas Engine-driven Heat Pump Systems) para aplicações residenciais e industriais em termos de aspectos energéticos e exergéticos. Os métodos de análise energética e exergética são usados com o fim de avaliar a performance dessas máquinas. Os autores se referem à sustentabilidade energética como sendo resultante de três mudanças tecnológicas:

• Economias de energia no setor que demanda; • Melhorias de eficiência na produção de energia; • Uso de fontes de energia renovável em substituição às tradicionais

fontes de combustíveis fósseis. Lampret et al . (2007) descrevem um centro de informações energéticas de uma indústria farmacêutica. O sistema farmacêutico pode ser administrado através dos dados de fluxo energético ou exergético, principalmente taxa de fluxo de custo (cost-flow rate) por unidade energética ou por unidade exergética. A exergia calculada nos processos do sistema é uma variável de acompanhamento energético e de custos da empresa. Os autores clamam que a gestão do fluxo de energia industrial (industrial energy-flow management) em sistemas farmacêuticos é integrante da busca pelo desenvolvimento sustentável. Através da relação entre exergia de um lado e energia e meio ambiente de outro, torna-se claro, segundo os autores, que exergia está relacionada ao desenvolvimento sustentável. Akpinar & Hepbasli (2007) enfocam a análise exergética de sistemas de bomba de calor geotérmicas (Geothermal Heat Pumps – GHP’s), visando uma análise comparativa de duas máquinas para uso residencial na Turquia. O estudo apresenta a avaliação da performance exergética de dois tipos de GHP’s com base em dados operacionais. Valores de eficiência exergética são apresentados para ambos os sistemas, bem como as destruições de exergia nos componentes de cada sistema são determinadas para avaliar suas performances individuais. Os autores concluem que o método de avaliação exergética apresentado é um caminho para o desenvolvimento sustentável. Ano: 2008 O trabalho de Pulselli et al. (2008) é um exemplo da aplicação da análise exergética a países, regiões e setores econômicos. O projeto SPIn-Eco é um

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programa de pesquisa com o propósito de acessar as condições ambientais e o nível relativo de sustentabilidade da Província de Siena (Itália). É uma análise completa do estado do sistema territorial através de um conjunto de indicadores de sustentabilidade. A intenção do projeto foi desenvolver métodos e obter resultados de modo a criar uma nova base conceitual e de informação para administradores públicos, projetos privados, organizações privadas e para os residentes. Essa base deveria ser de uso de todos os setores ou indivíduos que perseguem a meta de desenvolvimento sustentável. Atenção especial foi devotada aos fatores de relevância ambiental que poderiam limitar o perfeito desenvolvimento, o que também protege o interesse das futuras gerações. Os autores evocam o conceito de desenvolvimento sustentável da Comissão Bruntdland, indicando a relação entre desenvolvimento sustentável e o progresso sócio-econômico mediante proteção do meio ambiente de suporte à vida. Quanto à sustentabilidade, os autores evocam vários preceitos normalizadores, entre os quais as regras de Daly (1990, apud PULSELLI et al., 2008) e as condições de sistema (System Conditions) da organização The Natural Step (www. naturalstep.org). Os autores utilizaram, entre vários métodos, a Análise Exergética Estendida (Extended Exergy Analysis – EEA) aplicada ao nível territorial. A Análise Exergética e a Análise Exergética Estendida são medidas termodinâmicas da eficiência no uso de recursos (expressas em energia e massa). Uma análise exergética em nível territorial dá informação sobre o grau de organização de um sistema com relação à gestão balanceada de recursos. Esta informação pode ser útil na identificação de áreas onde melhorias técnicas ou medidas de conservação podem ser implementadas. A Análise Exergética Estendida (SCIUBBA, 2001 apud PULSELLI et al., 2008) parece se mostrar apropriada na investigação de sistemas territoriais, porque pode comparar os fluxos físicos de energia e matéria com quantidades não –energéticas como capital, trabalho humano e impactos ambientais. A aplicação da Análise Exergética Estendida à Província de Siena permitiu identificar parâmetros de eficiência no uso de recursos em diferentes setores tais como agricultura, indústria, terciário, transportes, etc. também levando em conta implicações econômicas e ambientais. A técnica foi utilizada dentro de uma macro perspectiva de gestão na qual se incluem a avaliação e a gestão ambiental. Rosen et al . (2008) descrevem o uso de exergia como uma medida para identificar e explicar os benefícios de energia e tecnologias sustentáveis. Segundo os autores, exergia pode ser usada para avaliar e melhorar sistemas energéticos, e pode ajudar a melhor entender os benefícios de se utilizar energia verde por prover informação mais útil e significativa do que a energia

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provê. A exergia claramente identifica melhorias de eficiência e reduções nas perdas termodinâmicas atribuíveis a tecnologias mais sustentáveis. Os autores defendem que a exergia também pode identificar melhor que a energia os benefícios ambientais e econômicos das tecnologias energéticas, e que exergia pode ser usada por engenheiros e cientistas, bem como elaboradores de políticas e agentes de decisão envolvidos com energia e tecnologias verdes. Um novo índice de sustentabilidade (Sustainability Index - SI) é desenvolvido como uma medida de como a eficiência exergética afeta o desenvolvimento sustentável, definido como a razão entre o input de exergia (EXin) e a destruição de exergia (ExD) em um processo de queima de combustível fóssil. Hepbasli (2008) revisa análise exergética e avaliação da performance de uma ampla gama de recursos de energia renovável (Renewable Energy Resources – RER’s), tais como sistemas energéticos geotérmicos, solares e a base de vento, bem como biomassa e recursos renováveis nacionais. Embora o estudo não faça relação direta com qualquer conceito de sustentabilidade, o autor defende que recursos energéticos e sua utilização se relacionam intimamente com desenvolvimento sustentável. Para atingir o desenvolvimento sustentável, o aumento das eficiências dos processos utilizando recursos de energia sustentável desempenha um importante papel. Segundo o autor, um sistema energético sustentável pode ser considerado como custo-eficiente, confiável e ambientalmente amigável. O autor considera que a análise exergética de sistemas energéticos renováveis é útil para identificar eficiência energética e/ou oportunidades de conservação, bem como para estabelecer estratégias de gestão energética e exergética de um país. Brehmer et al . (2008) tratam energia e exergia cumulativas como indicadores na avaliação da relação entre o input de energia solar, o input de fertilizantes e o output resultante de bioenergia potencial na cultura de legumes. É analisada a economia de energia na cultura de legumes como base para biomassa com o fim de bioenergia. A metodologia empregada é a de Análise do Ciclo de Vida com base em parâmetros energéticos e exergéticos. Os parâmetros utilizados são o Valor Líquido de Energia (Net Energy Value – NEV), ou a razão entre input de energia e output de energia, e o Valor Líquido de Exergia (Net Exergy Value – NExV), ou a razão entre input de exergia e output de exergia. Essencialmente, são feitas avaliações energética e exergética globais para a produção de fertilizantes até seu uso no cultivo de biomassa, incluindo a captura de radiação solar. O trabalho não evoca nem discute nenhum conceito de sustentabilidade mas permite inferir que a aplicação de gestão ecológica é plausível.

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Gasparatos et al . (2008a) é um exemplo de análise exergética de países, regiões e setores econômicos. Usa análise exergética para acessar a sustentabilidade da sociedade inglesa (UK). O objetivo é entender o metabolismo da sociedade inglesa, seu impacto e oferecer sugestões de políticas que poderiam promover uma mudança de rumo em direção à sustentabilidade. Usa Análise exergética (Exergy Analysis – EA) e análise exergética estendida (Extended Exergy Analysis – EEA). O consumo e a eficiência exergética são calculados para vários setores econômicos. A análise dos resultados de eficiência exergética permite ações nas áreas de planejamento e gestão energéticas e gestão ambiental. Esta última, em função dos resultados de avaliação exergética das emissões atmosféricas por setor. Kara et al . (2008) abordam a análise exergética de sistemas de bomba de calor. Os autores sugerem que uma das chaves para se obter o desenvolvimento sustentável é o uso de análise exergética. O trabalho apresenta um estudo de caso com análise energética e exergética de um sistema usando um coletor solar como evaporador no ciclo tradicional de bomba de calor. Não discute nenhum conceito de sustentabilidade. Pode-se inferir que a gestão energética é plausível para este estudo de caso. Becerra-López & Golding (2008) abordam a análise exergética de sistemas distritais de energia. Foi avaliada, com fins de planejamento, a otimização de um conjunto de tecnologias para geração de energia renovável em uma rede de sustentabilidade através de indicadores exergético, econômico, e exergético-econômico. O indicador de sustentabilidade exergética (IOExS – Indicator of Exergetic Sustainability) é introduzido como a razão entre a produção de trabalho elétrico a partir de fontes de energia renováveis e o input de exergia cumulativa de fontes não renováveis (ou primárias). Este indicador determina, para qualquer arranjo de tecnologias de produção de potência, o montante de energia limpa por unidade de exergia exaurida. O indicador de sustentabilidade econômica (IOES – Indicator of Economic Sustainability) é derivado como um custo normalizado para a faixa de custos ótimos. Este indicador assume que o custo econômico normalizado é comparável com um nível de competitividade econômica. A base do indicador exergético é o Consumo Cumulativo de Exergia (Cumulative Exergy Consumption – CExC). O Consumo Cumulativo de Exergia é um conceito agregativo que soma todos os inputs de exergia ao longo de qualquer cadeia de produção. Em um processo de geração de potência, estes inputs de exergia são derivados diretamente ou indiretamente do consumo de fontes primárias, combustíveis e não-combustíveis.

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O trabalho de Ukidwe & Bakshi (2008) enfoca a análise exergética de países, regiões e setores econômicos através da avaliação exergética do ciclo de vida. Os autores abordam o modelo EcoLCA para analisar a intensidade de recursos da indústria química nos EUA em 1997, fazendo comparações. Segundo os autores, num esforço de se tornarem mais verdes as indústrias químicas estão fazendo esforços conscientes para reduzir sua intensidade em recursos ou suas pegadas. Tais esforços necessitam ser suportados por modelos que possam quantificar as amplas implicações econômicas e ambientais das decisões industriais. O EcoLCA – Ecologically based Life Cycle Assessment (Avaliação de Ciclo de Vida de Base Ecológica) é um modelo da economia americana para analisar intensidades de recursos dos setores da indústria química, comparando-os entre si e com outros setores industriais. Os dados brutos são normalizados por fluxos nacionais para se obter critérios para possíveis vulnerabilidades de recursos de setores industriais. Os dados brutos são também agregados com base em sua massa ou exergia para reduzir sua dimensionalidade e permitir interpretação mais fácil. O ECEC – Ecological Cumulative Exergy Consumption ou consumo de exergia ecológico cumulativo permite a consideração de uma ampla variedade de bens e serviços dos ecosistemas, recursos humanos e emissões e seus impactos numa base consistente, e permite uma visão única em adição a medidas convencionais baseadas em massa e ICEC – Industrial Cumulative Exergy Consumption ou consumo de exergia industrial cumulativo. Razões entre ECEC e moeda indicam as saídas relativas de capital natural a capital econômico, e são usadas para investigar cadeias de suprimento de setores selecionados e identificar prováveis setores chave. Os critérios obtidos por justaposição das intensidades de recursos dos setores da indústria química contra si mesmos e com os restantes da economia são usados para identificar oportunidades para reduzir intensidades de recursos de setores da indústria química que possam permitir melhorias em suas sustentabilidades ambientais. Os autores concluem que o EcoLCA funde conceitos de avaliação do ciclo de vida, ecologia de sistemas, termodinâmica e análise de input-output econômico para estudar interações complexas em redes macroeconômicas e que esta abordagem :

o É teoricamente mais rigorosa já que concorda com leis biofísicas básicas como a Primeira e Segunda lei da termodinâmica;

o É ecologicamente consciente já que leva em conta o consumo de exergia em estágios industrial e ecológico da cadeia de produção;

o Provê resultados na escala de setores industriais individuais. Os autores evocam conceitos de desenvolvimento sustentável e sustentabilidade baseados em cinco tipos de capital agregados a todas as atividades econômicas: capital natural, capital humano, capital social, capital

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manufaturado e capital financeiro. Cada tipo de capital é discutido e é ressaltado que para operar de uma forma sustentável, as atividades industriais necessitam manter certos estoques mínimos de cada tipo de capital. O capital natural é considerado como o mais importante já que forma a base para os outros tipos de capital. Na discussão dos autores, desenvolvimento sustentável e sustentabilidade são usados de maneira recíproca, não se estabelecendo com cuidado as diferenças existentes. O trabalho de Utlu & Hepbasli (2008) enfoca análise exergética de países, regiões e setores econômicos. Trata-se de uma revisão sobre a avaliação do setor industrial da Turquia no ano de 2003 utilizando eficiências energéticas e exergéticas. Os vários ramos do setor industrial são avaliados (ferro-aço, química-petroquímica, fertilizantes, têxtil e outros). Enfoca o efeito de variar as temperaturas do estado morto (estado de referência). São desenvolvidas expressões paramétricas para as eficiências energéticas e exergéticas como função da temperatura do estado-morto. Adicionalmente, é feita uma estimativa do Potencial de Melhoria Exergética (Exergetic Improvement Potential) proposto por Van Gool (In: SOARES et al., 1997), embora não entrem em detalhe sobre este índice. Os autores clamam que o estudo permite uma medida quantitativa das ineficiências e de suas magnitudes relativas ao avaliar a performance de utilização energética. Clamam também que o estudo será benéfico no desenvolvimento de políticas de energia de países a partir do ponto de vista de gestão de exergia. De Meester et al . (2008) enfocam análise exergética de ciclo de vida (ELCA – Exergetic Life-Cycle Assessment) na construção civil da Bélgica, avaliando 65 habitações familiares com baixo input de energia. Foram quantificados todos os insumos energéticos e materiais necessários para construir uma habitação familiar, tanto do aspecto construtivo (energia agregada e materiais) como do aspecto de uso. Foi executada uma avaliação exergética do ciclo de vida que permite a quantificação de todos os recursos materiais e energéticos simultaneamente. O objetivo desta pesquisa foi executar uma contabilização exergética do ciclo de vida ao nível de um imóvel inteiro, ilustrando o potencial da exergia como indicador global de recursos (energia e material) no contexto do ambiente construído. O efeito das opções de construção e operação no consumo de exergia é investigado. O conceito de desenvolvimento sustentável é evocado, porém sem maiores aprofundamentos. O conceito de sustentabilidade também é evocado ressaltando-se o impacto da indústria de construção civil nos seus três aspectos: econômico, social e ambiental. A aplicação da técnica é possível, portanto, para gestão sócio-econômica e gestão ambiental.

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Gasparatos et al . (2008b) questionam as metodologias para avaliar desenvolvimento sustentável com base em métricas singulares, entre as quais a exergia. Os autores consideram os conceitos de desenvolvimento sustentável e de sustentabilidade ardilosos. Segundo eles, esta situação se origina no fato de que a ciência da sustentabilidade engloba a necessidade de endereçar um amplo conjunto de aspectos ao longo de diferentes escalas de tempo e espaciais. Assim, esta ciência inevitavelmente acomoda opiniões de diversos ramos de conhecimento e expertise. Os autores identificam que apesar dessas múltiplas perspectivas, o progresso em direção à sustentabilidade tem sido usualmente avaliado através do desenvolvimento e utilização de métricas singulares tais como instrumentos monetários, índices de sustentabilidade compostos e métricas biofísicas simples, entre as quais exergia. Essencialmente, o trabalho questiona que tal escolha por métricas singulares parece ser injustificável devido às imperfeições metodológicas e limites dessas métricas. Como argumento adicional está o fato de que os recentes conhecimentos sobre economias, sociedades e ecossistemas como sistemas adaptativos complexos indicam que não se pode capturá-los através de uma única perspectiva. Os autores consideram que é reducionismo descrever estes sistemas de uma maneira holística através da síntese de suas diferentes perspectivas perfeitamente legítimas e não-reduzíveis. Em conseqüência, nenhuma métrica singular poderia até o momento clamar por avaliar sustentabilidade de forma compreensível. O trabalho propõe que a elaboração e o refinamento das métricas correntes baseadas em métricas singulares não parecem capazes de produzir uma estrutura para avaliar o progresso em direção à sustentabilidade. Avaliações mais robustas deverão ser resultantes da adoção de diversos conjuntos de métricas, ou seja, do pluralismo metodológico. IV.5 Desenvolvimentos sustentável, sustentabilidade e exergia: Conclusões sobre a organização do debate IV.5.1 Áreas de trabalho Como base inicial para classificação dos trabalhos analisados usamos a classificação de Dincer & Rosen (2007) por sua abrangência e atualidade. Dincer & Rosen (2007) abordaram tecnicamente o estado da arte da aplicação de exergia e de análise exergética a dezoito (18) tópicos relevantes:

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• Exergia, meio ambiente e desenvolvimento sustentável; • Aplicações de exergia na indústria; • Exergia em desenvolvimento de políticas e educação; • Análise exergética de processos psicrométricos; • Análise exergética de sistemas de bomba de calor; • Análise exergética de processos e sistemas de secagem; • Análise exergética de sistemas de estocagem de energia térmica; • Análise exergética de sistemas de energia renováveis; • Análise exergética de plantas de potência a vapor; • Análise exergética de sistemas de cogeração e de sistemas distritais de

energia; • Análise exergética de sistemas criogênicos; • Análise exergética de sistemas de destilação de petróleo; • Análise exergética de sistemas de células de combustível; • Análise exergética de sistemas de vôo de aeronaves; • Análise exergoeconômica de sistemas térmicos; • Análise exergética de países, regiões e setores econômicos; • Avaliação exergética do ciclo de vida; • Exergia e ecologia industrial.

Identificamos em nosso trabalho que exergia e/ou análise exergética tem sido aplicadas com vistas à busca de sustentabilidade ou do desenvolvimento sustentável em áreas tratadas por Dincer & Rosen (2007) mas também em outras áreas não citadas por eles. As áreas identificadas em nosso estudo afins às tratadas por Dincer & Rosen (2007) foram as seguintes:

• Exergia, meio ambiente e desenvolvimento sustentável; • Aplicações de exergia na indústria; • Análise exergética de sistemas de bomba de calor; • Análise exergética de sistemas energéticos renováveis; • Análise exergética de sistemas de cogeração e de sistemas distritais de

energia; • Análise exergoeconômica de sistemas térmicos; • Análise exergética de países, regiões e setores econômicos; • Avaliação exergética do ciclo de vida; • Exergia e ecologia industrial; • Desenvolvimento de políticas.

As áreas identificadas em nosso estudo diversas das tratadas por Dincer & Rosen (2007) foram as seguintes:

• Formulação de indicadores exergéticos; • Análise exergética de sistemas térmicos; • Termodinâmica e economia; • Avaliação de tecnologias por meio de indicadores;

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• Termoeconomia; • Impacto Ambiental; • Aplicações ecológicas; • Determinação de impactos ambientais; • Modificação do método da pegada ecológica para introdução da variável

exergia; • Análise de ciclo de potência à base de gás natural liquefeito.

No relato a seguir, o negrito é desta autora e visa ressaltar a área básica de trabalho, conforme classificado. A classificação geral dos trabalhos revisados encontra-se listada no item IV.7, Quadro IV.1 ao final deste Capítulo IV. Caracterizam aplicações ecológicas da exergia os trabalhos de Christensen (1995), Apaiah et al. (2006), Verdesca et al. (2006), Wan-Bin et al. (2006) e Brehmer et al. (2008, In Press). Christensen (1995) adota a exergia como indicador ecológico na comparação de ecossistemas. Apaiah et al. (2006) enfocam o impacto ambiental de cadeias de fornecimento de alimentos. Verdesca et al. (2006) propõem um novo indicador de base exergética para avaliar a eficiência de sistemas marinhos costeiros. Wan-Bin et al. (2006) propõem um índice de produtividade conceitual para a agricultura baseado em exergia. Brehmer et al. (2008, In Press) propõem um índice com base em exergia para os processos de produção e uso de fertilizantes. Ossebaard et al. (1997) enfocam a análise exergética de sistemas térmicos em um país com base na eficiência exergética. Ayres (1998) enfoca as relações entre termodinâmica e economia . A análise exergética de sistemas energéticos renováve is foi abordada por Suganthi & Samuel (2000), Hepbasli & Utlu (2004), Midilli et al. (2005), Dincer & Rosen (2005) e Hepbasli (2008). As relações entre exergia, meio ambiente e desenvolvim ento sustentável foram abordadas por Wall & Gong (2001), Rosen & Dincer (2001), Gong & Wall (2001), Wall (2002) e Rosen et al. (2008). A avaliação de tecnologias por meio de indicadores ex ergéticos foi abordada por Dewulf et al. (2001). El-Sayed (2001) abordou o uso de termoeconomia na avaliação de um sistema de desalinização de água do mar. Também Romero-Ternero et al.

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(2005) aplicaram análise termoeconômica a um sistema de osmose reversa de água do mar, determinando a eficência exergética do sistema. Seager & Theis (2002) abordaram a avaliação do impacto ambiental químico através de uma nova métrica, o potencial de poluição (pollution potential). Balocco et al (2004) utilizaram Análise Exergética Estendida (EEA – Extended Exergy Analysis) para avaliar o impacto ambiental urbano de construções . O papel da exergia na formulação de políticas foi abordado por Dincer (2002), recomendando o uso da exergia como ferramenta de gestão. A análise exergética de países, regiões e setores eco nômicos foi abordada por Dewulf & Langenhove (2003), Federici et al. (2003), Haldi & Favrat (2006), Koroneos & Nanaki (2007), Utlu & Hepbasli (2007), Pulselli et al. (2008), Gasparatos et al. (2008a), Becerra-López & Golding (2008), Ukidwe & Bakshi (2008) e Utlu & Hepbasli (2008). Dewulf & Langenhove (2003) propõem um parâmetro para avaliação de tecnologias de transporte, o EMIPS (Exergetic Material Input per unit of Service). Federici et al. (2003) calculam eficiências exergéticas de dois sistemas de transporte distritais. Koroneos & Nanaki (2007) usam a eficiência exergética como indicador da sustentabilidade energética e auxiliador na tomada de decisão. Utlu & Hepbasli (2007) determinam o grau de eficiência de utilização energética e exergética no setor industrial da Turquia. Pulselli et al. (2008) aplicam a Análise Exergética Estendida ao nível territorial na Provícia de Siena (Itália). Gasparatos et al. (2008a) também aplicam a Análise Exergética Estendida ao Reino Unido (UK). Becerra-López & Golding (2008) propõem como indicador de sustentabilidade exergética o Consumo Cumulativo de Exergia. Ukidwe & Bakshi (2008) utilizam a avaliação exergética do ciclo de vida para analisar a indústria química americana em 1997, fazendo uso de dois índices. Utlu & Hepbasli (2008) utilizam a análise exergética para avaliar o setor industrial da Turquia no ano de 2003, propondo o uso de um índice exergético. Aplicações de exergia na indústria são exemplificadas pelos trabalhos de Bargigli et al. (2004) e Lampret et al. (2007).

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Relações da exergia com os princípios da ecologia i ndustrial são abordados por Seager & Theis (2004) e Dewulf & Langenhove (2005). Seager & Theis (2004) propõem uma taxonomia para classificar os critérios quantitativos de sustentabilidade. Dewulf & Langenhove (2005) apresentam um conjunto de cinco (5) indicadores de sustentabilidade ambiental para a avaliação de produtos e rotas de produção. Hammond (2004a, 2004b e 2007) enfoca um debate crítico sobre a relevância dos métodos termodinâmicos para a determ inação de impactos ambientais e sustentabilidade. Quiang et al. (2004) determinaram a eficiência exergética de um ciclo de potência movido a gás natural liquefeito . A análise exergética de sistemas de bomba de calor foi abordada por Ozgener & Hepbasli (2005), Hepbasli et al. (2007), Akpinar & Hepbasli (2007) e Kara et al. (2008). A avaliação exergética do ciclo de vida (Exergetic Life-Cycle Assessment - ELCA) foi abordada por Amini et al. (2007), Castro et al. (2007) e De Meester et al. (2008, In Press). A análise exergética de cogeração é exemplificada pelo trabalho de Liu & Zhang (2007). Nguyen & Yamamoto (2007) propõem uma modificação do método da pegada ecológica a base de exergia, incorporando recursos não-renováveis. IV.5.2 Enfoque dado à sustentabilidade e à gestão Com base na análise dos trabalhos considerados relevantes, foi feita uma tentativa de classificá-los segundo a forma de sustentabilidade evocada e segundo a forma de gestão mais plausível apontada ou evocada. Vale ressaltar que este é um exercício preliminar, não exaustivo e não definitivo, visando dar sentido com base em áreas de gestão aos trabalhos analisados. O negrito é desta autora e visa ressaltar os tipos de sustentabilidade e de gestão evocados ou apontados. Christensen (1995) evoca a sustentabilidade ecológica e a gestão de ecossistemas . Ossebaard et al. (1997) evocam sustentabilidade energética , econômica e ambiental . Aplica-se gestão econômica, energética e ambiental de sistemas térmicos .

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Suganthi & Samuel (2000) evocam a sustentabilidade energética e a gestão do fornecimento de energia . Wall & Gong (2001) evocam a sustentabilidade ecológica . Dewulf et al. (2001) evocam a sustentabilidade tecnológica e a gestão tecnológica. El-Sayed (2001) enfoca gestão energética . Gong & Wall (2001) enfocam gestão ambiental . Seager & Theis (2002) evocam sustentabilidade ambiental e a gestão de impactos ambientais. Wall (2002) enfoca a gestão de sistemas . Dincer (2002) discute princípios aplicáveis à gestão de forma genérica. Dewulf & Langenhove (2003) discutem sustentabilidade tecnológica e a gestão de recursos (de transporte). Federici et al. (2003) discutem a gestão de sistemas (de transporte). Balocco et al. (2004) trabalham com o conceito de sustentabilidade urbana e gestão ambiental . Seager & Theis (2004) discutem sustentabilidade ambiental e a forma plausível de gestão é a ambiental . Bargigli et al. (2004) discutem sustentabilidade ambiental e gestão energética . Hammond (2004a) enfoca sustentabilidade econômica e gestão energética . Hammond (2004b) centra-se em sustentabilidade energética e gestão energética. Hepbasli & Utlu (2004) enfocam a gestão energética . Dewulf & Langenhove (2005) enfocam sustentabilidade ambiental e tecnológica e gestão ambiental e tecnológica . Midilli et al. (2005) tratam de sustentabilidade energética e gestão energética . Romero-Ternero et al. (2005) enfocam sustentabilidade energética e econômica e gestão energética . Dincer & Rosen (2005) abordam gestão ambiental .

155

Ozgener & Hepbasli (2005) enfocam sustentabilidade energética e gestão energética . Apaiah et al. (2006) tratam de sustentabilidade alimentar e gestão ambiental . Verdesca et al. (2006) centram-se em sustentabilidade ambiental e econômica e gestão ambiental e econômica . Wan-Bin et al. (2006) discutem sustentabilidade ecológica e gestão ecológica . Jorgensen (2006) enfoca sustentabilidade ecológica e gestão de forma ampla. Haldi & Favrat (2006) evocam sustentabilidade energética e gestão energética. Amini et al. (2007) enfocam sustentabilidade ambiental e gestão de recursos e ambiental . Liu & Zhang (2007) enfocam sustentabilidade energética . Koroneos & Nanaki (2007) centram-se em sustentabilidade energética e gestão energética . Utlu & Hepbasli (2007) enfocam sustentabilidade energética e gestão energética. Castro et al. (2007) evocam sustentabilidade industrial e gestão de recursos e industrial. Lampret et al. (2007) centram-se em gestão energética . Pulselli et al. (2008) evocam sustentabilidade regional e gestão ambiental . Rosen et al. (2008) tratam de gestão ambiental . Hepbasli (2008) trata da gestão de recursos energéticos . Brehmer et al. (2008) enfocam gestão ecológica . Gasparatos et al. (2008a) tratam de sustentabilidade regional e gestão sócio-econômica , energética e ambiental. Kara et al. (2008) enfocam gestão energética . Becerra-López & Golding (2008) tratam de sustentabilidade regional e gestão energética .

156

Ukidwe & Bakshi (2008) tratam de sustentabilidade ambiental . Utlu & Hepbasli (2008) enfocam sustentabilidade energética e gestão energética. De Meester et al. (2008, In Press) enfocam sustentabilidade econômica , social e ambienta l e gestão ambiental e energética . IV.6 Indicadores exergéticos de desenvolvimento sus tentável e sustentabilidade IV.6.1 Indicadores gerais Os parâmetros propostos como indicadores a base de exergia e identificados neste trabalho são muitos e aplicam-se a distintas áreas de gestão, como visto no item IV.5.2. Não é objetivo deste trabalho discutir cada indicador proposto exaustivamente, até por que uma discussão deste teor envolveria obrigatoriamente um exercício matemático mais rigoroso, que foge do escopo ora pretendido. Porém, são enumerados aqueles indicadores que são propostos como indicadores de sustentabilidade ou de desenvolvimento sustentável, visando obter uma visão geral do que foi identificado nesta revisão bibliográfica. Os indicadores abaixo citados são alguns dos parâmetros através dos quais exergia é proposta como indicador de sustentabilidade (independente da sua natureza) ou de desenvolvimento sustentável. O negrito é desta autora e visa ressaltar o nome do indicador.

• Exergia e sua componente estrutural (Christensen, 1995); • Quantidade de exergia estocada na Terra como depósi tos de

exergia ( Waal & Gong, 2001); • Eficiência exergética (Ossebaard et al., 1997; Bargigli et al., 2004;

Hepbasli & Utlu, 2004; Balocco et al., 2004; Dincer & Rosen, 2005; Apaiah et al., 2006; Amini et al., 2007; Liu & Zhang, 2007; Koroneos & Nanaki, 2007; Utlu & Hepbasli, 2007; Castro et al., 2007; Pulselli et al., 2008; Gasparatos et al., 2008a);

• Consumo Cumulativo de Exergia (CExC – Cumulative Exergy Consumption), Consumo Cumulativo de Exergia para Construção e Abatimento (CExCA – Cumulative Exergy Consumption for Construction and Abatement) e Sustentabilidade S (Dewulf et al., 2001);

• Destruição de exergia (El-Sayed, 2001); • Exergia de Mistura e Potencial de Poluição (Pollution Potential)

(Seager & Theis, 2002; Seager & Theis, 2004);

157

• Input exergético de material por unidade de serviço (EMIPS – Exergetic Material Input per Unit of Service) (Dewulf & Langenhove, 2003);

• Eficiências exergéticas de primeira e segunda orden s (Federici et al., 2003; Balocco et al., 2004);

• Conteúdo Cumulativo de Exergia (CEC – Cumulative Exergy Content) (Szargut, 2005);

• Eficiência do processo, Re-uso de materiais, Recupe ração de materiais residuais, Renovação dos materiais consum idos e Toxicidade das emissões (Dewulf & Langenhove, 2005);

• Potencial de Melhoria Exergética (Improvement Potential – IP) (Ozgener & Hepbasli, 2005 ; Utlu & Hepbasli, 2007; Utlu & Hepbasli, 2008);

• Valor Adicionado de Informação Exergética (IEex – Added Value of Exergetic Information) (Verdesca et al., 2006);

• Índice de Produtividade para a Agricultura (APES) (Wan-Bin, 2006); • Eco-exergia (Jorgensen, 2006); • Pegada Ecológica Modificada (Nguyen & Yamamoto, 2007); • Taxa de fluxo de custo por unidade energética ou ex ergética (cost-

flow rate) (Lampret et al., 2007); • Índice de Sustentabilidade (Sustainability Index – SI) (Rosen et al.,

2008); • Valor Líquido de Exergia (Net Exergy Value – NexV)(Brehmer et al.,

2008 In Press); • Indicador de Sustentabilidade Exergética (IOExS – Indicator of

Exergetic Sustainability) (Becerra-López & Golding, 2008); • Consumo de Exergia Industrial Cumulativo (Industrial Cumulative

Exergy Consumption - ICEC) e Consumo de Exergia Ecológico Cumulativo (Ecological Cumulative Exergy Consumption – ECEC) (Ukidwe & Bakshi, 2008);

• Exergia (De Meester et al., 2008. In Press). Como se pode observar, existe uma variada gama de parâmetros baseados em exergia que são propostos como indicadores de sustentabilidade ou de desenvolvimento sustentável. Esta variada gama de parâmetros gera um nível razoável de confusão quanto à aplicação das diversas metodologias baseadas em exergia à análise de processos e sistemas. Esta constatação é crucial e deve servir como sinalização aos pesquisadores que desejem adentrar a área.

158

IV.6.2 Indicadores com aplicação em gestão ambienta l Dos indicadores relacionados acima são enumerados abaixo aqueles que apresentam aplicabilidade à gestão ambiental. Esta enumeração foi feita com base na classificação geral dada aos trabalhos analisados (vide Quadro IV.1). Para os indicadores e trabalhos citados abaixo foi identificada uma relação com sustentabilidade ambiental e gestão ambiental:

• Eficiência exergética (Ossebaard et al., 1997; Balocco et al., 2004; Apaiah et al., 2006; Amini et al.,2007; Pulselli et al., 2008);

• Quantidade de exergia estocada na Terra como depósi tos de exergia ( Waal & Gong, 2001);

• Exergia de mistura e potencial de poluição (Pollution Potential) (Seager & Theis, 2002);

• Eficiência do processo, Re-uso de materiais, Recupe ração de materiais residuais, Renovação dos materiais consum idos e Toxicidade das emissões (Dewulf & Langenhove, 2005);

• Valor Adicionado de Informação Exergética (IEex – Added Value of Exergetic Information) (Verdesca et al., 2006);

• Pegada Ecológica Modificada (Nguyen & Yamamoto, 2007); • Índice de Sustentabilidade (Sustainability Index – SI) (Rosen et al.,

2008); • Consumo de exergia ecológico cumulativo (Ecological Cumulative

Exergy Consumption – ECEC) (Ukidwe & Bakshi, 2008); • Exergia (De Meester et al., 2008. In Press).

Para ilustrar vamos apresentar o trabalho de Dewulf & Langenhove (2005) que propõe cinco (5) indicadores de sustentabilidade ambiental para a avaliação de produtos e rotas de produção, com base em princípios da ecologia industrial. IV.6.3 Exemplo ilustrativo: Indicadores de sustenta bilidade ambiental a base de exergia – Dewulf & Langenhove (2005) Dewulf & Langenhove (2005) consideram que a existência de uma métrica é fundamental para o debate da sustentabilidade, especialmente porque o termo sustentabilidade tem um sentido muito amplo, levando a possíveis mal-entendidos. Uma métrica para a sustentabilidade deve cobrir as três bases da sustentabilidade: econômica, ambiental e social. O trabalho de Dewulf & Langenhove (2005) enfoca o aspecto ambiental para o desenvolvimento de uma tecnologia sustentável, do ponto de vista da ecologia industrial.

159

A origem imediata dos efeitos de uma tecnologia no ambiente são as interações físico-químicas, ou seja, troca de massa e energia (por exemplo, extração de recursos, emissões gasosas, etc.) Devido a essas trocas, uma série de mecanismos se formam no meio ambiente, por exemplo, mudança climática, degradação de vegetação devido à acidificação, etc., levando à deterioração do sistema natural. Entretanto, os efeitos de uma tecnologia específica no meio ambiente não dependem apenas da interface imediata entre a tecnologia considerada e o meio ambiente, mas também do grau de integração dentro do metabolismo industrial total. Quanto melhor ela for integrada dentro desse metabolismo, menor poderá ser o efeito no meio ambiente. Por exemplo, fazendo uso de produtos residuais como recurso ou liberando produtos que podem ser recuperados ao final de sua vida tornam possível o menor consumo de recursos virgens e a redução de emissões residuais. Embutir uma tecnologia no metabolismo industrial é a área de pesquisa da ecologia industrial (GRAEDEL & ALLENBY, 1996 apud DEWULF & LANGENHOVE, 2005). A ecologia industrial está preocupada com a transição de processos industriais de sistemas lineares (open loop systems), em que recursos e investimentos de capital se movem através do sistema para se tornar resíduos, a sistemas do tipo closed loop onde resíduos se tornam inputs para outros processos (GRAEDEL E ALLENBY, 1995 apud DINCER & ROSEN, 2007). Os autores defendem que a quantificação da sustentabilidade ambiental de uma tecnologia deve passar pela integração dos princípios de ecologia industrial no desenvolvimento de indicadores de sustentabilidade ambiental. Para o desenvolvimento de um conjunto de indicadores de sustentabilidade adequado, os autores partiram da premissa de que o ideal é usar conjuntos diferentes de indicadores para diferentes propósitos, ao invés de produzir um único e definitivo conjunto de indicadores de desenvolvimento sustentável (LEVETT, 1998 apud DEWULF & LANGENHOVE, 2005). Neste sentido, o desenvolvimento de tecnologia pode obter vantagens de um conjunto de indicadores de sustentabilidade físico-químico, bem como de indicadores sociais e econômicos. Usando os critérios da OECD (1998) para a construção de indicadores, o conceito de exergia e análise exergética, os autores desenvolveram um conjunto de indicadores de sustentabilidade ambiental para tecnologia. As trocas, conversões e efeitos relacionados à vida total de um produto são esquematicamente representados na Figura IV.5. Cinco processos podem ser identificados: (A) troca de massa e energia do ecossistema para a cadeia do processo (extração de recursos virgens); (B) troca de massa e energia dos materiais disponíveis da tecnologia (adjacente) para a cadeia do processo (reuso de materiais residuais); (C) conversão de massa e energia dentro da vida total do produto (produção e consumo); (D) troca de massa e energia da cadeia do processo ao ecossistema (emissões); (E) troca de massa e energia da cadeia do processo à tecnologia (adjacente) (recuperação de materiais

160

residuais). Estes cinco processos básicos deveriam ser levados em conta para se chegar a um conjunto de métricas de desenvolvimento sustentável, integrando princípios de ecologia industrial. A análise do sistema (na qual não entraremos em detalhes) indicou que métricas deveriam ser desenvolvidas para os seguintes itens: renovação de recursos extraídos do ecossistema, toxicidade das emissões, reuso de materiais da tecnologia adjacente, recuperação de materiais gerados ao fim de seu uso e eficiência da cadeia do processo. Esses itens foram expressos em exergia, uma vez que a Segunda Lei da termodinâmica permite a quantificação de todas as taxas de troca materiais e energéticas, e taxas de conversão, mostradas na Figura IV.5 em termos de exergia. A geração de irreversibilidades também é quantificada pela Segunda Lei da termodinâmica.

Figura IV.5 – Trocas de massa e energia, perdas e transformaçõe s no ecossistema devido à implementação de um processo d e produção (cadeia): (A) taxa de extração de recursos para fora do ecossiste ma (em exergia: R Extr , J/s); (B) taxa de consumo de materiais residuais reusados (em exergia: R Re-used , J/s); (C) conversão de massa e energia na cadeia do proce sso (taxa de produção de exergia R P, J/s); (D) taxa de emissão da cadeia de produção e consumo (em exergia: R Em, J/s); (E) taxa de recuperação de materiais residu ais (em exergia: RRecov , J/s). A cadeia de produção do processo também res ulta em calor de baixa temperatura (em exergia: geração irreversível R IRR, J/s). Processos relacionados à cadeia de produção ocorrendo no ecossistema são a produção de recursos naturais (em exergia: R Prod , J/s) e a deterioração do ecossistema devido a emissões (em exergia: R Det, J/s). (J/s : Joule por segundo). (Fonte: DEWULF & LANGENHOVE (2005, p. 421) adaptado ) Os indicadores propostos são assim expressos com base em análise exergética:

Irreversibilidades de calor a baixa

temperatura RIRR

Produtos (RP)

Materiais residuais

Re-usados

Ecossistema: Depósitos e

Reservas Naturais

Produção de recursos RProd

Deterioração RDet

S

Cadeia de Processo de

Produção

Processo de Consumo

Emissões

REm

Recursos Virgens

RExtr

Tecnologia Adjacente:

Materiais Antropogênicos

Residuais recuperados

RRe-used

Materiais residuais recuperad

os

R Recov

Produtos RP

161

1. Item Eficiência do Processo (interesse: conversão)

A eficiência é a razão entre todos os outputs úteis (produtos) e inputs requeridos (recursos), todos quantificados em termos de exergia. Com respeito aos inputs, tanto recursos virgens extraídos quanto materiais residuais reusados foram considerados. A eficiência η pode ser definida como:

usedExtr

P

RR

R

−+=

Re

η

onde PR é o output exergético da produção, e .ExtrR e usedR −Re são os inputs para a produção baseados em recursos virgens extraídos e materiais residuais reusados. Este indicador é uma razão entre output e input, que tem as mesmas unidades de exergia, levando, portanto, a uma eficiência adimensional com valores entre 0 (insustentável) e 1 (completamente sustentável).

2. Item Reúso de materiais (interesse: ecologia industrial) Um indicador de reúso ρ que expressa a dependência em materiais residuais versus recursos virgens é expresso por

usedExtr

used

RR

R

−

−

+=

Re

Reρ

onde ExtrR e usedR −Re são os inputs para a produção baseados em recursos virgens extraídos e materiais residuais reusados, respectivamente. Este indicador varia entre 0 e 1, sendo 1 para a situação totalmente sustentável. Cadeias de produção totalmente baseadas em recursos virgens resultarão em 0=ρ , enquanto tecnologias liberando produtos de (principalmente) materiais residuais, tais como reciclagem, apresentarão altos valores de .ρ

3. Item Materiais residuais recuperados (interesse: ecologia industrial) Após o fim de seu uso, o produto pode ser ou emitido para o ambiente ou recuperado em certa extensão tornando-o disponível para a produção do mesmo produto (reciclagem) ou de outros produtos. O grau de recuperação pode ser expresso por um indicador de recuperação de materiais residuais σ :

PR

R covRe=σ

com PR e covReR sendo o output de produção e sua fração recuperável em termos de exergia, respectivamente.

162

4. Item Renovação dos Materiais (Interesse: ambiental)

Um indicador de renovação baseado em termodinâmica pode ser baseado na taxa de consumo de materiais virgens de um lado e na taxa de produção desses materiais no ecossistema de outro lado através de um indicador de renovabilidade α :

Extr

od

R

RPr=α

onde odRPr é a taxa de produção de recursos no meio ambiente e ExtrR a extração de recursos virgens. Se são usados recursos renováveis, ou seja, se a taxa de produção no ecossistema iguala ou compensa a taxa de consumo, então 1=α . Para recursos não-renováveis tais como recursos fósseis e minérios, sua taxa de produção é desprezível quando comparada com a taxa de consumo de modo que α tende a zero.

5. Item Toxicidade de Emissões (Interesse: ambiental) Um indicador de toxicidade t é expresso como

P

Det

P

Em

Em

Det

R

R

R

R

R

Rt ==

Onde:

P

Em

R

R é um fator de emissões residuais em termos de exergia;

DetR é a exergia perdida ao meio ambiente devido à deterioração causada pela

taxa de emissão EmR . A razão Em

Det

R

Rfoi introduzida e explicada por Dewulf &

Langenhove (2002);

EmR é a taxa de emissão causada pela taxa de produção PR . Este parâmetro pode variar de 0 a infinito. Com o fim de situar o indicador de toxicidade entre dois limites finitos, uma transformação é feita:

)2lnexp(P

Det

R

R−=τ

Esta transformação resulta em um indicador τ situado entre 0 e 1. Os autores aplicam (operacionalizam) os indicadores propostos a três estudos de caso industriais, que não serão abordados aqui.

163

Segundo os autores:

(a) o conjunto de indicadores apresentado configura um conjunto de cinco indicadores universais de sustentabilidade ambiental para a avaliação de tecnologias, incorporando princípios de ecologia industrial;

(b) o conjunto de indicadores apresentado, juntamente com um conjunto universal de indicadores cobrindo os aspectos econômicos e sociais, deve ser apto para avaliar a sustentabilidade ambiental de opções tecnológicas de forma quantitativa, melhorando o debate em busca de informações quantitativas sobre sustentabilidade;

(c) o caráter universal dos indicadores propostos é garantido por que:

i. eles partem de mecanismos básicos, isto é, troca, conversão e efeitos de massa e energia, que são o resultado da implementação de uma opção tecnológica;

ii. o conjunto é abrangente, transparente, bem definido e de fácil entendimento;

iii. o conjunto é inteiramente baseado na Segunda Lei da termodinâmica, permitindo a quantificação de diferentes itens (renovabilidade, reúso, recuperabilidade e eficiência) em uma mesma base;

iv. a operabilidade dos indicadores foi comprovada em diferentes tipos de produtos e tecnologias.

IV.7 – Desenvolvimento sustentável, sustentabilidad e e exergia: Análise da literatura publicada entre 1995 e 2008

164

Quadro IV.1 – Desenvolvimento sustentável, sustenta bilidade e exergia: Análise da literatura publicada entre 1995 e 2008 (Fonte: Elaboração própria)

DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL, SUSTENTABILIDADE E EXERGIA: ANÁLISE DA LITERATURA PUBLICADA ENTRE 1995 E 2008

ANO DE AUTOR REFERÊNCIA TÍTULO PALAVRAS-CHAVE APLICAÇÂO INSTRUMENTOS

TIPO DE SUSTENTABILIDADE

RELAÇÂO COM GESTÃO OBSERVAÇÔES

PUBLICAÇÂO EXERGIA COM

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Análise exergética de sistemas térmicos

Eficiência exergética

Energética / Econômica / Ambiental

Gestão econômica, energética e ambiental

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Vol. 22, No. 11, p 1087-1098

A systems analysis of costs, exergy efficiency, CO2 and NOx emissions

Custos / Emissões de CO2 e NOx

de sistemas térmicos

1998 Ayres, R. U. Ecological Economics

Eco-thermodynamics: economics and the second law Sustentabilidade Termoeconomia

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Análise da II Lei da termodinâmica em seus significados

econômico e ambiental

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Exergy based supply side energy management Sustentabilidade

Modelagem exergética de

Destruição de exergia Energética

Gestão do fornecimento de energia

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Exergia como indicador ecológico Ecológica

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Conditions and concepts Ecologia

Gong, M.

2001 Rosen, M. A. Exergy Int. J.

Exergy as the confluence of energy, environment and Sustentabilidade

Exergia e sustentabilidade Exergia

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sustainable development

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The Science of the Total Environment

Exergy analysis in the assessment of the sustainability Sustentabilidade

Avaliação tecnológica

CExC - Cumulative Exergy Consumption Tecnológica

Gestão tecnológica

Quantifica a sustentabilidade da rota tecnológica

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of waste gas treatment systems

CExCA - Cumulative Exergy Consumption for Construction and Abatement

Sustentabilidade S

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2001 El-Sayed, Y. M. Desalination

Designing desalination systems for higher productivity

Desenvolvimento Sustentável Termoeconomia Gestão energética

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2001 Gong, M. Exergy Int. J.

On exergy and sustainable development - Part 2:


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Impactos ambientais

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Conditions and tools in the design of energy conversion Sustentabilidade Exergia

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The role of exergy in policy making

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Análise exergética de setor de transportes

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Gestão de recursos

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Gestão de sistemas

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On hydrogen and hydrogen energy strategies Sustentabilidade

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Thermodynamic aspects of renewables and


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A novel approach

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Gestão de Recursos / Gestão Ambiental

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Proposal and analysis of a novel ammonia-water cycle Sustentabilidade Cogeração

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178

IV.8 Conclusões Algumas constatações importantes podem ser ressaltadas com referência ao trabalho feito e são abaixo discutidas. A maior dificuldade encontrada foi a complexidade técnica do tema – desenvolvimento sustentável, sustentabilidade e exergia - frente à diversidade de enfoques técnicos conferidos a ele nas diversas referências. A análise exergética, via contabilização exergética, é uma metodologia bem-definida e robusta que é universalmente aceita e aplicada a uma profusão de estudos de caso. As áreas técnicas em que a análise exergética é aplicada são áreas muito densas tecnicamente quanto à sua expressão termodinâmica e a aplicação do conceito de exergia a elas gera procedimentos matemáticos e técnicos complexos. A produção científica na área de exergia e de suas aplicações técnicas é vasta, como pode ser visto pelo grande número de publicações neste tema: um mil trezentas e oitenta e sete (1387) referências recuperadas na pesquisa com a palavra-chave exergy em 08/02/2008 para o período 1960 – 2008. Sesseta e sete (67) referências relacionando exergia com desenvolvimento sustentável e/ou sustentabilidade foram recuperadas entre os anos de 1960 e 2008 pela metodologia empregada, configurando uma recuperação de cerca de 5 %. Cinqüenta e seis (56) referências efetivamente congruentes com o tema foram analisadas, cerca de 4 %. Pode ser visto no Quadro IV.1 que a maioria absoluta destas referências, cinqüenta e duas (52), foram publicadas na década em curso, o que configura a contemporaneidade do tema. Nas referências analisadas, o conceito de desenvolvimento sustentável, quando evocado, é o conceito clássico da Comissão Bruntdland. Porém, na maioria dos casos o termo foi utilizado de forma isolada e ampla, basicamente como sinônimo de desenvolvimento ou de crescimento. Já o termo sustentabilidade assume uma variada gama de significados, implícitos e/ou explícitos como sustentabilidade ecológica, econômica, ambiental, energética, tecnológica, urbana, alimentar, industrial, regional e social. Notou-se também a ambigüidade no uso recíproco dos termos sustentabilidade e desenvolvimento sustentável. Porém, em alguns casos os termos foram utilizados de maneira apenas alusiva. Adicionalmente, várias metodologias e vários indicadores baseados em exergia visando uma métrica para a sustentabilidade de processos e/ou sistemas e, em particular, para a sustentabilidade ambiental de processos e/ou sistemas, estão sendo propostos e utilizados por pesquisadores em várias áreas com expressão termodinâmica.

179

Os indicadores baseados em exergia propostos são utilizados para o acompanhamento e avaliação de processos e/ou sistemas. Esses indicadores são, em geral, propostos como uma métrica singular, ou seja, como indicadores únicos e isolados. Não são descritos, em geral, como parte de um sistema de indicadores normativamente estabelecido. A maioria dos indicadores identificados não apresenta simplicidade conceitual e de uso. São, ao contrário, indicadores estruturados de forma complexa, a partir de definições intrinsecamente termodinâmicas, aplicando em seu cálculo procedimentos matemáticos complexos, em geral levados a termo por rotinas computacionais. Com relação à gestão, o potencial de aplicabilidade das técnicas baseadas em exergia à gestão foi identificado, porém, principalmente, foi evidenciada sua aplicabilidade à análise de processos na gestão dos quais havia interesse. São exceção os trabalhos de Lampret et al. (2007) e de Pulselli et al. (2008), em que o interesse pela gestão dos processos foi o fator de motivação. Também foi identificada a aplicabilidade de metodologias e indicadores baseados em exergia à gestão ambiental. A elaboração de políticas utilizando conceitos e resultados baseados em exergia também foi enfocada, ressaltando-se inúmeras qualidades da exergia como parâmetro básico para a formulação de discussões sobre qualidade, conservação de energia, meio ambiente, economia e desenvolvimento sustentável. É proposto de forma geral que a sustentabilidade de um processo e/ou sistema aumenta com o aumento da eficência exergética do processo e/ou sistema. Em alguns casos o conceito de sustentabilidade a que se refere esta assertiva não é exclusivamente o de sustentabilidade ambiental, mas outro, como sustentabilidade energética, econômica ou tecnológica, entre outros tipos. Portanto, a análise exergética, através de diversas metodologias, tem sido utilizada para mensurar parâmetros exergéticos variados aos quais se relaciona a sustentabilidade de processos e/ou sistemas e é proposta como ferramenta de auxílio à decisão. Em resumo, quanto aos objetivos gerais propostos para o trabalho pode-se observar a partir da análise da literatura revisada que:

• É proposto que a sustentabilidade de um processo e/ou

sistema aumenta na razão direta do aumento da eficiência exergética do processo ou sistema. Esta proposição é qualitativa, ou seja, não é comprovada de forma quantitativa;

• É proposto que existe uma relação direta entre eficiência exergética e impacto ambiental de um processo e/ou sistema: o aumento da eficiência exergética implica na diminuição do impacto ambiental do processo e/ou sistema. Esta proposição é qualitativa, ou seja, não é comprovada de forma quantitativa;

180

• É proposto de forma geral que o aumento da sustentabilidade implica em desenvolvimento sustentável;

• Foram identificados e enumerados indicadores quantitativos baseados em exergia e postulados para acompanhamento ou mensuração da sustentabilidade de processos e/ou sistemas;

• Apesar da complexidade do tema evidencia-se a proposição excessivamente diversificada de indicadores, o que leva a um considerável grau de confusão quanto ao seu conceito , modus operandi e aplicabilidade, que se repercute no entendimento, análise e seleção dos indicadores;

• Apesar de constituírem medidas técnicas baseadas em exergia, os indicadores baseados em exergia propostos para processos e/ou sistemas ainda não se enquadram rigorosamente dentro dos critérios gerais propostos para indicadores.

Em relação à quantificação dos resultados, o problema de fato não reside na quantificação de um dado parâmetro exergético para um sistema ou processo, mas no fato de que em que extensão ou com que significância tal parâmetro representa a medida da sustentabilidade ou do desenvolvimento sustentável. Quanto ao objetivo específico proposto para o trabalho constatou-se na literatura revisada que:

• Foram identificadas relações entre exergia e gestão e, em particular, entre exergia e gestão ambiental;

• Inúmeros exemplos de práticas de gestão utilizando os indicadores baseados em exergia propostos para processos e/ou sistemas foram enumerados.

Conclui-se que, apesar da elaborada produção técnica e científica no tema, as técnicas de mensuração da sustentabilidade baseadas em exergia devem ser mais aprofundadas, até mesmo porque o debate é muito novo. O conceito de sustentabilidade submetido a medidas deve ser definido e explorado mais profundamente e a pertinência dos indicadores propostos a partir de tais medidas deve ser verificada dentro de um contexto mais amplo, ou seja, dentro de avaliações que utilizem conjuntos de indicadores para sustentabilidade já consagrados nesta mensuração e dentro de perspectiva quantitativa, ou seja, as relações propostas entre impacto ambiental, sustentabilidade e eficiência exergética devem ser verificadas e expressas analiticamente.

181

CONSIDERAÇÔES FINAIS Este trabalho foi motivado pelo desejo de ampliar-se o conhecimento acerca da propriedade exergia, e de sua aplicação às questões atuais que envolvem o meio ambiente global. No entender desta autora, esta proposição foi alcançada. Contextualizou-se o debate através da indicação de assertivas do debate enfocando as relações entre o conceito de desenvolvimento sustentável e a função exergia. Segundo essas assertivas iniciais enfocadas, a importância dos métodos exergéticos para alcançar o desenvolvimento sustentável foi arrolada. Foi proposto que exergia estaria diretamente relacionada com desenvolvimento sustentável. Através da utilização da base de dados bibliográfica ScienceDirect, da Elsevier, acessada on-line na Petrobras, realizou-se uma pesquisa bibliográfica dirigida a identificar, via um survey, as relações pertinentes entre exergia, desenvolvimento sustentável e sustentabilidade, que resultou na análise de cinqüenta e seis (56) recuperações congruentes com o tema no período 1960 – 2008. Na análise das referências recuperadas buscou-se identificar sempre que possível os seguintes pontos básicos: (i) o uso técnico dado à função exergia; (ii) o conceito de sustentabilidade ou desenvolvimento sustentável evocado; (iii) as relações entre exergia e desenvolvimento sustentável ou sustentabilidade; (iv) os indicadores baseados em exergia postulados e/ou utilizados no trabalho; e (v) a relação do que é proposto no trabalho com gestão, procurando identificar que tipo de gestão está implícita ou explícita no trabalho e especialmente os casos em que a gestão ambiental é utilizada ou é potencial. O Quadro IV.1 resume estas constatações. O debate identificado na literatura centra-se na proposição de que a sustentabilidade de processos e/ou sistemas aumenta na razão direta do aumento da eficiência exergética do processo ou sistema. Esta proposição é qualitativa, ou seja, não é comprovada de forma quantitativa. É proposto ainda na literatura que existe uma relação direta entre eficiência exergética e impacto ambiental de processos e/ou sistemas: o aumento da eficiência exergética do processo e/ou sistema implica na diminuição do impacto ambiental do processo e/ou sistema. Esta proposição também é qualitativa, ou seja, não é comprovada de forma quantitativa. É proposto de forma geral que o aumento da sustentabilidade implica em desenvolvimento sustentável. Foram identificados e enumerados indicadores quantitativos baseados em exergia e postulados para acompanhamento ou mensuração da sustentabilidade de processos e/ou sistemas.

182

Apesar da complexidade do tema evidencia-se a proposição excessivamente diversificada de indicadores, o que leva a um considerável grau de confusão quanto ao seu conceito, modus operandi e aplicabilidade, que se repercute no entendimento, análise e seleção dos indicadores. Apesar de constituírem medidas técnicas baseadas em exergia, os indicadores baseados em exergia propostos ainda não se enquadram rigorosamente dentro dos critérios gerais propostos para indicadores. Observa-se que esse debate é muito novo, necessitando de amadurecimento e aprofundamento, tanto conceitual quanto do ponto de vista da composição e significação técnicas dos indicadores propostos. Várias questões merecem ser estudadas com mais profundidade, entre as quais (i) os conceitos de desenvolvimento sustentável e sustentabilidade aos quais pode ser diretamente relacionada a mensuração da exergia em processos e sistemas, (ii) a natureza da métrica proposta através da mensuração da exergia – se relativa ou absoluta, se singular ou plural –, e (iii) a abrangência de tais medidas dentro do universo do debate sobre desenvolvimento sustentável. Cabe ressaltar que após a finalização deste trabalho, foram executadas três novas pesquisas bibliográficas na data de 09.02.2009 visando à atualização da pesquisa bibliográfica, que estão abaixo relatadas (vide adicionalmente o Anexo 1). A base ScienceDirect contava então com nove milhões quatrocentos e dez mil e setecentos e quarenta e cinco (9. 410.745) artigos. Uma quarta etapa da revisão bibliográfica, visando à atualização da primeira etapa, foi executada utilizando-se a palavra-chave exergy e a modalidade de pesquisa Advanced Search, tendo sido recuperadas um mil quinhentos e oitenta e sete ( 1.587) referências no período 1823 – 2009 (09/02/2009). Estas recuperações estavam assim discriminadas por data de publicação:

• 2009: 60 (sessenta) recuperações; • 2008: 171 (cento e setenta e uma) recuperações; • 2007: 190 (cento e noventa) recuperações; • 2006: 150 (cento e cinqüenta) recuperações; • 2005: 114 (cento e quatorze) recuperações; • 2004: 110 (cento e dez) recuperações; • 2003: 102 (cento e duas) recuperações; • 2002: 96 (noventa e seis) recuperações; • 2001: 67 (sessenta e sete) recuperações; • 2000: 55 (cinqüenta e cinco) recuperações; • 1999: 51 (cinqüenta e uma) recuperações; • 1998: 65 (sessenta e cinco) recuperações; • 1997: 63 (sessenta e três) recuperações; • 1996: 47 (quarenta e sete) recuperações; • 1995: 37 (trinta e sete) recuperações;

183

• 1994: 15 (quinze) recuperações; • 1993: 21 (vinte e uma) recuperações; • 1992: 25 (vinte e cinco) recuperações; • 1991: 12 (doze) recuperações; • 1990: 11 (onze) recuperações; • 1989 e antes: 125 (cento e vinte e cinco) recuperações.

Uma quinta etapa da revisão bibliográfica, visando à atualização da segunda etapa, foi executada utilizando-se as palavras-chave exergy e sustainability e a modalidade de pesquisa Advanced Search, tendo sido recuperadas quarenta e oito (48) referências. Na segunda etapa haviam sido recuperadas quarenta e cinco (45) referências. Uma sexta etapa da revisão bibliográfica, visando a atualização da terceira etapa, foi executada utilizando-se as palavras-chave exergy e sustainable development e a modalidade de pesquisa Advanced Search, tendo sido recuperadas trinta e sete (37) referências. Na terceira etapa haviam sido recuperadas trinta e cinco (35) referências. Foram obtidas cinco (05) referências adicionais na quinta e na sexta etapas de revisão bibliográfica. Estas referências não foram incorporadas ao presente survey pois o trabalho já se encontrava finalizado. É digna de nota a vasta produção técnica tendo em vista exergia e suas aplicações : um mil quinhentos e oitenta e sete (1587) referências recuperadas na modalidade Advanced Search na revisão executada em 09/02/2009, no período de 1960 a 2009, perfazendo um acréscimo de duzentos (200) artigos publicados no intervalo de um (01) ano. Vale ressaltar que um mil cento e quinze (1115) referências ( 70 %) foram publicadas na década em curso. Adicionalmente, dentre as quatro referências adicionais merece destaque o trabalho de Rashidi et al . (2009) que estudou a possibilidade de utilizar uma célula combustível movida a metanol (direct methanol fuel cell – DMFC) para alimentar dispositivos portáteis como um computador portátil (laptop), um telefone celular e uma câmera portátil, em comparação com uma bateria de Lítio iônica. O estudo foi executado durante quatro anos. Os resultados técnicos indicaram as vantagens do sistema DMFC em relação à bateria, basicamente a partir da análise de custos no período acumulado de quatro anos de uso. A eficiência exergética foi definida para o sistema DMFC como a razão entre a potência produzida pelo sistema DMFC e o input total de exergia química do metanol. Foi calculado o índice de sustentabilidade (SI – Sustainability Index) como

exe

SIη−

=1

1

onde exeη é a eficiência exergética.

184

A partir desta relação, os autores clamam que o aumento da eficiência exergética da célula de combustível reduz as emissões de CO2 do sistema DMFC, aumentando a sustentabilidade do sistema. São apresentados dados medidos das emissões de CO2 em relação a dados medidos do índice de sustentabilidade e em relação à eficiência exergética. Segundo os autores, o aumento da sustentabilidade resulta em menor impacto ambiental. O trabalho de Rashidi et al . (2009) configura um trabalho pioneiro no sentido de que vem agregar dados quantitativos ao debate, que, embora de maneira ainda singular, vem trazer um impulso importante no desenvolvimento das métricas de sustentabilidade em função de exergia. Por fim, alguns trabalhos podem ser recomendados como continuação desta dissertação:

• Estudar com profundidade e conceituar com clareza o que vem a ser sustentabilidade de um processo e/ou sistema com expressão termodinâmica e quais são os parâmetros determinantes de sua mensuração;

• Traçar a taxonomia técnica de cada indicador baseado em exergia proposto, de modo a obter a identidade plena de cada indicador quanto ao seu real potencial de utilização, seu modus operandi (operação técnica do indicador) e sua concordância com princípios e conceitos gerais que norteiam a conceituação, construção e seleção de indicadores;

• Desenvolver estudos sistemáticos referentes à quantificação da sustentabilidade e do desenvolvimento sustentável, visando esclarecer a perspectiva de quantificação;

• Com base no trabalho de Gasparatos et al. (2008b), selecionar alguns dos indicadores baseados em exergia propostos e avaliá-los dentro de um contexto de aplicação de um conjunto já consagrado de indicadores de sustentabilidade, visando situá-los tecnicamente e ratificar seu potencial de uso, testando a hipótese de pluralismo metodológico;

• Comparação e avaliação de tecnologias quanto ao consumo de energia e emissões (avaliação atual);

• Avaliação de tecnologias quanto à sustentabilidade num prazo de 30/50 anos (prospecção futura);

• Avaliação de uma tecnologia e suas variáveis operacionais visando identificar aspectos do processo que influenciam os resultados (por exemplo: pressão, temperatura, catalisador) e olhando o futuro com olhos para sustentabilidade avaliar qual desses pontos é mais crítico, ou seja, em que variável concentrar os estudos para desenvolvimento da tecnologia;

Por fim, vale ressaltar mais uma vez a complexidade do assunto para que se busquem formas de estudo e aprofundamento sistemáticas, de modo a esclarecer e sistematizar as conclusões, tanto do ponto de vista conceitual quanto técnico.

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ANEXO

ANEXO 1 – Folhas de rosto das revisões bibliográficas reali zadas em 09.02.2009 na base ScienceDirect (03 revisões)

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